ČOS vydání ČESKÝ OBRANNÝ STANDARD VLIV OKOLNÍHO PROSTŘEDÍ NA VOJENSKOU TECHNIKU. PODMÍNKY ELEKTRICKÉHO A ELEKTROMAGNETICKÉHO PROSTŘEDÍ

ČOS 999935 2. vydání

ČESKÝ OBRANNÝ STANDARD

VLIV OKOLNÍHO PROSTŘEDÍ NA VOJENSKOU TECHNIKU. PODMÍNKY ELEKTRICKÉHO A ELEKTROMAGNETICKÉHO PROSTŘEDÍ


(VOLNÁ STRANA)

2

ČOS 999935 2. vydání ČESKÝ OBRANNÝ STANDARD VLIV OKOLNÍHO PROSTŘEDÍ NA VOJENSKOU TECHNIKU. PODMÍNKY ELEKTRICKÉHO A ELEKTROMAGNETICKÉHO PROSTŘEDÍ

Základem pro tvorbu tohoto standardu byl následující originál dokumentu: AECTP-250 Ed. 2 ELECTRICAL January 2011 CONDITIONS

AND

ELECTROMAGNETIC

ENVIRONMENTAL

Podmínky elektrického a elektromagnetického prostředí.

© Úřad pro obrannou standardizaci, katalogizaci a státní ověřování jakosti

Praha 2013

3

ČOS 999935 2. vydání OBSAH Strana 1

Předmět standardu .................................................................................................................. 7

2

Nahrazení standardů (norem) ................................................................................................ 7

3

Souvisící dokumenty .............................................................................................................. 7

3.1

Národní standardizační dokumenty....................................................................................... 7

3.2

Standardizační dokumenty NATO, ke kterým bylo za ČR přistoupeno ............................. 7

3.3

Vládní dokumenty .................................................................................................................. 8

3.4

Rezortní předpisy ................................................................................................................... 8

4

Zpracovatel ČOS .................................................................................................................... 8

5

Použité zkratky a definice ...................................................................................................... 8

5.1

Zkratky.................................................................................................................................... 8

5.2

Definice................................................................................................................................... 9

6

Část 251 – Všeobecné údaje ................................................................................................ 13

6.1

Rozsah použití ...................................................................................................................... 13

6.2

Účel standardu ...................................................................................................................... 13

6.3

Prostředí ................................................................................................................................ 13

7

Část 252  Prostředí rádiových kmitočtů (RF) ................................................................... 15

7.1

Úvod...................................................................................................................................... 15

7.2

Vliv na interoperabilitu v rámci NATO .............................................................................. 15

7.3

Charakteristiky prostředí...................................................................................................... 15

7.4

Technika kontroly stanoviště ............................................................................................... 18

7.5

Odhad provozu stanoviště.................................................................................................... 22

7.6

Oddělovací vzdálenosti pro vyzařování elektronických zařízení nižšího než úrovně QRSL .................................................................................................................................... 23

7.7

Oddělovací vzdálenosti pro vyzařování střídavého napájecího vedení nižšího než úrovně QRSL........................................................................................................................ 23

7.8

Pozemní výstavba a četnost používání ................................................................................ 24

7.9

Literatura k části 252............................................................................................................ 26

8

Část 253  Elektrostatický náboj, výboj a poruchy způsobené atmosférickými srážkami (P-Static) ............................................................................................................... 28

8.1

Úvod...................................................................................................................................... 28

8.2

Prostředí ................................................................................................................................ 28

8.3

Literatura části 253 ............................................................................................................... 32

9

Část 254  Atmosférická elektřina a blesk ......................................................................... 33

4

ČOS 999935 2. vydání 9.1

Úvod...................................................................................................................................... 33

9.2

Atmosférická statická elektřina ........................................................................................... 33

9.3

Přírodní prostředí blesku ...................................................................................................... 35

9.4

Odvozené externí prostředí blesku ...................................................................................... 38

9.5

Odvozené parametry a zkušební průběhy externího blesku............................................... 43

9.6

Průběhy pro použití se standardními úrovněmi prostředí .................................................. 47

9.7

Průběhy pro použití s alternativními úrovněmi prostředí................................................... 47

9.8


10

Část 255  Stejnosměrná (DC) a nízkofrekvenční (LF) magnetická pole ........................ 57

10.1

Cíl .......................................................................................................................................... 57

10.2

Použitelnost .......................................................................................................................... 57

10.3

DC a LF magnetická pole .................................................................................................... 57

11

Část 256  Jaderný elektromagnetický impulz ................................................................... 61

11.1

Úvod...................................................................................................................................... 61

11.2

Použití ................................................................................................................................... 61

11.3

Prostředí ................................................................................................................................ 61

11.4


12

Část 257  Výkonové mikrovlny (HPM) ........................................................................... 68

12.1

Úvod...................................................................................................................................... 68

12.2

Prostředí ................................................................................................................................ 68

12.3


13

Část 258  RF elektromagnetické prostředí........................................................................ 73

13.1

Úvod...................................................................................................................................... 73

13.2


13.3

NATO EME ......................................................................................................................... 74

13.4


14

Část 259  Kvalita elektrického napájení a elektromagnetické prostředí uvnitř systému ................................................................................................................................. 98

14.1

Úvod...................................................................................................................................... 98

14.2


14.3

Normy pro kvalitu napájení ............................................................................................... 100

14.4

Výběr zkoušek .................................................................................................................... 101

14.5

Literatura k části 259.......................................................................................................... 102

14.6

Ostatní příslušné národní/mezinárodní normy.................................................................. 102

5


(VOLNÁ STRANA)

6


1

Předmět standardu

ČOS 999935, 2. vydání zavádí do prostředí ČR AECTP-200 Ed. 4 a AECTP-250, Ed. 2 (STANAG 4370 Ed. 3). Ke STANAG 4370 Ed. 3 se ČR rozhodla přistoupit a zavést s výhradou. Výhrada se týká zákazu používání, vývoje, výroby, skladování a převodu kazetové munice v souladu se zákonem č. 213/2011 Sb. Tato výhrada se nepromítne v textu tohoto ČOS. ČOS 999935, 2. vydání neřeší vliv elektrického a elektromagnetického prostředí na kazetovou munici. ČOS 999935, 2. vydání popisuje charakteristiky a zdroje podmínek elektrického a elektromagnetického prostředí, které mají vliv na konstrukci a funkci vojenské techniky. Jednotlivé části poskytují odpovídající údaje o elektrických a elektromagnetických podmínkách pro položky vojenské techniky, které, pokud se použijí ve spojení s ČOS 051627, vytvoří vyčerpávající a cenově optimální soubor definicí elektrického/elektromagnetického prostředí a zkoušek ve shodě s požadavky projektu.

2

Nahrazení standardů (norem)

ČOS 999935, 2. vydání, nenahrazuje žádnou předchozí normu, protože tvorba ČOS 999935, 1. vydání byla zrušena z důvodu vydání nové edice výchozího dokumentu. ČOS 999935, 2. vydání vychází z AECTP-250, Ed. 2 z ledna 2011. Tato norma je plně slučitelná s ČOS 051627 „Zkoušky vojenské techniky v elektrickém a elektromagnetickém prostředí“. S ohledem na návaznost na příslušné standardizační dohody NATO, především na STANAG 4370/AECTP-200 „Environmental conditions“ (Vliv okolního prostředí na vojenskou techniku), 4. vydání, je v maximální možné míře zachována i nadnárodní (převážně z angličtiny převzatá) terminologie všeobecně používaná v NATO a jejích závazných materiálech. Konkrétně se jedná např. o termíny interference, emise, platforma, susceptibilita a další, které mají často používané české ekvivalenty vzájemné působení (rušení), vyzařování, nosič/instalace, náchylnost a další. Tyto české termíny však v řadě případů nemají plně ekvivalentní význam (viz např. emise a vyzařování), čímž může, při snaze o použití výlučně české terminologie, dojít překladem dokonce ke změně významu určitých pasáží originálu. V dokumentu je zachováno, pokud je to možné, členění kapitol a odstavců, které odpovídá členění v originálním dokumentu. Číslování kapitol a odstavců odpovídá požadavkům pro tvorbu ČOS. V každé části jsou uvedeny odkazy na použitou literaturu. Jedná se většinou o nedostupné publikace a odkazy mají pouze informativní charakter pro případné další studium.

3

Souvisící dokumenty

3.1

Národní standardizační dokumenty

ČOS 051627

Zkoušky vojenské techniky v elektrickém a elektromagnetickém prostředí

ČSN EN ISO 10012 Systémy managementu měření – Požadavky na procesy měření a měřicí (01 0360) vybavení 3.2

Standardizační dokumenty NATO, ke kterým bylo za ČR přistoupeno

AECTP-500

ELECTROMAGNETIC ENVIRONMENTAL EFFECTS TEST AND VERIFICATION Zkoušky a ověření účinků elektromagnetického prostředí 7


AECTP-200

3.3

ENVIRONMENTAL CONDITIONS Vliv okolního prostředí na vojenskou techniku

Vládní dokumenty

Nařízení vlády ČR č. 1/2008 Sb. 3.4

Rezortní předpisy

MO, č.j. 259/3-18

4

o ochraně zdraví před neionizujícím zářením

Směrnice pro řízení realizace rozvojových projektů akvizičního plánu AČR

Zpracovatel ČOS

Vojenský technický ústav, s.p., odštěpný závod VTÚPV, Ing. Jiří Hanousek

5

Použité zkratky a definice

5.1 Zkratky Zkratka Název v originálu

Český název

AC AM CRT CTL CW DC ČOS

Střídavý proud Amplitudová modulace Obrazovka s katodovou trubicí Vypočtená přechodová úroveň Průběžný signál Stejnosměrný proud Český obranný standard

EMC EME EMI EMP EMV ESD FM HEMP HF HIRF HPEM HPM

Alternating Current Amplitude Modulation Cathode Ray Tube Computed Transient Level Continuous Wave Direct Current  Electromagnetic Compatibility Electromagnetic Environment Electromagnetic Interference Electromagnetic Pulse Electromagnetic Vulnerability Electrostatic Discharge Frequency Modulation High Altitude Electromagnetic Pulse High Frequency High Intensity Radiated Field High Power Electromagnetic Environment High Power Microwave

8

Elektromagnetická kompatibilita Elektromagnetické prostředí Elektromagnetická interference Elektromagnetický impulz Elektromagnetická zranitelnost Elektrostatický výboj Kmitočtová modulace Elektromagnetický impulz ve velké výšce Vysoký kmitočet Vyzařované pole s vysokou úrovní Elektromagnetické prostředí s vysokou energií Mikrovlny s vysokou energií

ČOS 999935 2. vydání IEMI

Intentional Electromagnetic Interference

LEMP

Lighting Electromagnetic Pulse

Úmyslná elektromagnetická interference Elektromagnetický impulz blesku

Zkratka

Název v originálu

Český název

LF LOS NATO NB NCF NRF NEMP PCM PEL QRSL

Low Frequency Line Of Sight North Atlantic Treaty Organisation Narrow Band Near-Field Correction Factor Near-Field Gain Reduction Factor Nuclear Electromagnetic Pulse Pulse Coded Modulation Permissible Exposure Limits Quiet Rural Site Line

RADHAZ RF SGEMP SM UE3

Radio And Radar Radiation Hazard Radio Frequency System Generated Electromagnetic Pulse Static Magnetic Unified Electromagnetic Environmental Effects Ultra Wide Band Voltage Standing Wave Ratio

Nízký kmitočet Přímá viditelnost Severoatlantická aliance Úzké pásmo Korekční činitel blízkého pole Redukční činitel zisku blízkého pole Jaderný elektromagnetický impulz Impulsně kódová modulace Povolená doba expozice Hranice klidného venkovského prostředí Nebezpečné vyzařování Rádiový kmitočet Systém generovaného EMP Magneto-statický Unifikované vlivy elektromagnetického prostředí Ultraširoké pásmo Poměr napěťových stojatých vln

UWB VSWR

5.2 Definice Český Anglický termín ekvivalent

Definice

Anténní fázové pole

Phase Array Antenna

Anténní fázové pole je skupina antén, ve kterých se relativní fáze očekávaných signálů napájejících anténu mění takovým způsobem, že efektivní vyzařovací diagram pole je v požadovaném směru zesílen a v ostatních směrech je potlačen.

Anténní korekční činitel

Antenna Correction Factor

Činitel, který se používá pro převod napětí na výstupu antény na intenzitu elektromagnetického pole v místě antény.

Blízké pole

Near Field

Oblast v těsné blízkosti antény nebo vyzařující konstrukce, ve které elektrické a magnetické pole netvoří rovinnou vlnu a intenzita pole se od zdroje nesnižuje úměrně s funkcí vzdálenosti, ale mění se významně bod od bodu.

9

ČOS 999935 2. vydání Český termín

Anglický ekvivalent

Definice

Blízký úder blesku

Nearby Flash/Strike

Blízký úder je takový bleskový výboj, který nezasáhne techniku (systém) přímo, ale vlivem jeho blízkosti se mohou v systému indukovat významné proudy buď vazbou elektrickým nebo magnetickým polem, zemními proudy nebo kombinací všech tří vazeb.

HEMP

HEMP

Elektromagnetický impulz ve velké výšce.

HPM

HPM

Úzkopásmový signál se špičkovým výkonem impulzu, který ve zdroji běžně překračuje 100 MW.

LEMP

LEMP

Elektromagnetické vyzařování spojené s výbojem blesku. Poznámka: Výsledkem vazby elektrického a magnetického pole s elektrickým nebo elektronickým systémem mohou být napěťové nebo proudové rázy.

Magnetická úprava

Magnetic Treatment

Magnetická úprava je metoda pro změnu, snížení nebo odstranění permanentního magnetického pole lodě. Provádí se cívkami vytvořenými z elektrických kabelů dočasně umístěnými kolem lodi a nad ní, a pokud je to nutné i kolem dalších nástaveb. Do cívek se přivádí posloupnost stejnosměrných impulzů s předem určenou polaritou a velikostí.

NEMP

NEMP

Elektromagnetické vyzařování způsobené odraženými Comptonovými elektrony a fotoelektrony, vytrženými z materiálu jaderného zařízení nebo z jeho okolí jako důsledek jaderného výbuchu.

Nepřímý úder

Indirect Effects

Jev způsobený vazbou magnetickým nebo elektrickým polem blesku. Takový jev je důsledkem přímého úderu blesku nebo jeho blízkosti. Jako příklad může sloužit přechodové napětí indukované v kabeláži zařízení.

Odmagneto- Degaussing vací cívkový Coil System systém

Odmagnetovací cívkový systém obsahuje řídící obvody jednoho nebo více závitů elektrického kabelu instalovaného na vybraných místech paluby lodě pro účely snížení úrovně stejnosměrného magnetického pole. Při provozu jsou tyto závity napájeny stejnosměrným proudem tak, aby produkované magnetické pole směřovalo proti magnetickému poli lodi a tím se snížila jeho úroveň. Účinek se zajišťuje změnou velikosti a polarity proudu protékajícího zavity.

Odmagneto- Ship vání lodi typu Degaussing Degaussing

Technologie, která využívá metody a způsoby snížení statického magnetického (SM) pole lodě cívkami umístěnými na palubě.

Odmagneto- Ship vání lodi typu Deperming Deperming

Proces, při kterém se úplně odstraní podélný a příčný permanentní magnetizmus a jeho vertikální permanentní magnetizmus se stabilizuje na známou úroveň tím, že se platforma vystaví silným magnetickým polím střídavé polarity a snižující se úrovně.

10



Definice

Odmagneto- Ship Flashing Odmagnetování typu Flashing je typ magnetické úpravy vání lodi typu používaný pro snížení permanentního magnetizmu lodí a ponorek Flashing z důvodu ochrany proti magnetické detekci plavidel a nepřátelským magnetickým minám. Odmagnetovací cívky pro flashing se umisťují v horizontální rovině nad lodí. Ozáření antény

Antenna Illumination

Rozložení amplitudy a fáze pole v účinné části anténním systému.

Pracovní cyklus

Duty Cycle

Poměrná část doby životnosti, během které je součást, zařízení nebo systém v provozu.

Přímý úder

Direct Strike Přímý úder je takový výboj blesku, který zasáhne přímo techniku (systém) a kdy celý proud blesku prochází skrz zasaženou část nebo systém.

Šířka paprsku Beam Width Šířka paprsku je úhel mezi body hlavního laloku, ve kterých výkon vztažený ke špičkovému vyzařovanému výkonu klesne na polovinu (3 dB). Poznámka: Za normálních okolností se šířka paprsku vyjadřuje ve stupních. Účinnost antény

Antenna Efficiency

Poměr celkového vyzařovaného výkonu a celkového vstupního výkonu. Poznámka: Celkový vyzařovaný výkon je celkový výkon snížený o výkon spotřebovaný v anténě.

UWB

UWB

Signál, jehož percentuální šířka pásma je vyšší než 25 %.

Vazba otvorem

Flux Aperture Coupling

Proces indukce napětí nebo proudu v kabeláži nebo v systémech letadla způsobené elektrickým nebo magnetickým polem procházejícího otvorem.

VSWR

VSWR

Poměr maximálního a minimálního napětí v napájecím kabelu antény. Tvar stojaté vlny se vytvoří impedančním nepřizpůsobením, čímž dojde k odrazu části výkonu přiváděného do antény a který není anténou vyzářen. V případě dokonalého přizpůsobení je VSWR 1:1.

Výkonová hustota

Power Density

Vyzařovaný výkon, kolmý na směr šíření, vyjádřený ve wattech na čtvereční metr (W/m2) nebo miliwattech nebo mikrowattech na čtvereční centimetr (mW/cm2 nebo W/cm2).

11



Definice

Zóny přitažení blesku

Lighting Attachment Zones

I když je akce bleskového kanálu prudká, je část blesku přitahována určitými body, které závisí na umístění na povrchu vozidla a podle kterých je možno rozdělit povrch na tři zóny podle pravděpodobnosti přitažení prvotního úderu, průniku a jeho setrvání následovně: a. Zóna 1 – Povrchy u kterých je vysoká pravděpodobnost přitažení prvotního úderu blesku (hlavní nebo zpětný proud úderu, vstup a výstup). b. Zóna 2 – Povrchy u kterých je malá pravděpodobnost přitažení prvotního úderu, ale vysoká pravděpodobnost odrazu blesku (zpětný proud), který je způsoben tokem vzduchu ze zóny 1, kam byl přitažen prvotní úder blesku. c. Zóna 3 – Všechny ostatní povrchy, které nepatří ani do zóny 1 ani 2. U takových ploch je pravděpodobnost přitažení blesku malá, ale mohou vést proud blesku mezi body přitažení umístěnými v zóně 1 nebo 2. V některých oblastech zóny 3 se může objevit celý výboj blesku. Zóny 1 a 2 je možno dále rozdělit na oblasti v závislosti na pravděpodobnosti setrvání blesku po určitou časovou periodu. Tato pravděpodobnost je nižší pro oblast A a vyšší pro oblast B. Tyto zóny se definují následovně: a. Zóna 1A – Počáteční bod přitažení s malou pravděpodobností setrvání vzestupné hrany po dobu přesahující 50 ms. b. Zóna 1B  Počáteční bod přitažení s vysokou pravděpodobností setrvání sestupné hrany po dobu přesahující 50 ms. c. Zóna 1C – Omezená oblast povrchu leteckého a kosmického prostředku za zónou 1A, ve které se může přitažení prvotního úderu rozdělit a může tedy vytvořit místo pro přitažení prvního zpětného úderu. d. Zóna 2A – Rozdělený úder s malou pravděpodobností setrvání blesku v počáteční nebo střední pozici Zóny 2 po dobu přesahující 50 ms. e. Zóna 2B – Rozdělený úder s vysokou pravděpodobností setrvání blesku jako zadní hrana v zóně 2 po dobu přesahující 50 ms.

Ztráty ve volném prostoru

Free Space Loss

Snížení intenzity elektromagnetického pole ve volném prostoru na přímou viditelnost bez překážek, které by mohly způsobit odraz nebo vychýlení pole.

12

ČOS 999935 2. vydání Část 251

6

Část 251 – Všeobecné údaje

6.1

Rozsah použití

Tento obranný standard je určen k vytváření zkušebních programů elektromagnetické kompatibility, pro zařízení, která se budou používat v ozbrojených silách ČR. 6.2

Účel standardu

Charakteristiky a údaje obsažené v jednotlivých částech tohoto standardu jsou shodné s AECTP-250 a jsou určeny pro použití vhodným způsobem a mají za účel: a) dovolit dodavatelům nebo potencionálním dodavatelům identifikovat elektrické a elektromagnetické prostředí z důvodu jejich zařazení do požadovaných dokumentů a/nebo dodavatelských specifikací, b) umožnit dodavatelům nebo obstaravatelům vznášet odpovídající dotazy, postihující standardní prostředí, definovaná v následujících částech a jejich použití v projektech a provozních podmínkách, c) pomáhat projektantům při sestavování návrhu specifikace kritérií elektrického prostředí, identifikovat všechna důležitá prostředí a ilustrovat a kvantifikovat klíčové charakteristiky a parametry, které mají vliv na velikost těchto kritérií. 6.3

Prostředí

Prostředí definovaná v jednotlivých částech jsou generická a jsou tedy použitelná pro široký rozsah vojenské techniky. Samozřejmě se vyskytují systémy, u kterých umístění nebo typ použití znamená, že pro ně nejsou generická prostředí vhodná a je nutno specifikovat zvláštní požadavky. Ty mohou být více nebo méně nepříznivější než požadavky pro generická prostředí. Pokud nejsou v příslušné části vhodné údaje pro vytvoření specifického prostředí, je nutno konzultovat s příslušným orgánem státu. Jednotlivé části tohoto dokumentu popisují následující prostředí: a)

Část 252  Prostředí rádiových kmitočtů (RF). Tato část definuje elektromagnetické prostředí, které je charakteristické pro místa příjmu rádiové komunikace v typickém venkovském prostředí a městské zástavbě.

b) Část 253  Elektrostatický náboj, výboj a poruchy způsobené atmosférickými srážkami (P-Static). Tato část popisuje jev elektrostatického náboje a nejhorší případ elektrostatických nábojů/výbojů, které se mohou vyskytovat v přítomnosti osob a u vrtulníků za letu. Dále se zde definují úrovně poruch při atmosférických srážkách (P-Static) zjištěné u letadel za letu. c)

Část 254  Atmosférická elektřina a blesk. Tato část popisuje statistické údaje o úderech blesku a úrovně klíčových parametrů, které se vyskytují v případě přírodních blesků. Odvozené prostředí pro použití zkoušek bleskem se pak definuje pomocí typických indukovaných úrovní proudů v kabelech systémových konstrukcí při úderu blesku. Dále se zde definují úrovně elektrických a magnetických polí typických pro blízký a vzdálený úder blesku.

13

ČOS 999935 2. vydání Část 251 d) Část 255  Stejnosměrná (DC) a nízkofrekvenční (LF) magnetická pole. Tato část definuje stejnosměrná magnetická pole, která se vyskytují v pracovním prostředí lodí a dále nízkofrekvenční magnetická pole, která se vyskytují u všech armádních složek. e)

Část 256  Jaderný elektromagnetický impulz (NEMP/EMP). V této části se jednoduchým způsobem popisuje původ NEMPu, jeho základní charakteristiky a cesty, kterými proniká do platforem a systémů. Dále se zde charakterizuje komplexní profil NEMPu, vliv výšky výbuchu, umístění a vzdálenosti zkoušeného zařízení od místa výbuchu na úroveň signálu a tvar vlny, EMP ve velké výšce (HEMP), zdrojová oblast EMP (SREMP) a systém generování EMP (SGEMP).

f)

Část 257  Rádiové kmitočty se směrovanou energií. Tato část popisuje typy prostředí s vysokou úrovní elektromagnetické energie rádiových kmitočtů se směrovým účinkem a obecné úmyslné elektromagnetické interference (IEMI) a/nebo poškození, které je způsobeno indukcí do elektronických systémů.

g) Část 258  RF elektromagnetické prostředí (EME). V této části se popisuje EME, které se produkuje rádiovou komunikací a radiolokátorovými systémy během operací NATO. Tabulky NATO EME jsou uvedeny pro prostředí námořní (na palubě), pozemní, vzdušné, kosmické a pro nejhorší případy. h) Část 259  Kvalita elektrického napájení a elektromagnetické prostředí uvnitř systému. Tato část popisuje vysokofrekvenční prostředí ve vedeních, která mohou ovlivňovat vojenskou techniku prostřednictvím rušení způsobovaného AC/DC napájecími systémy instalovanými na platformách zbraňových systémů nebo v pozemních komunikačních centrech a krytech.

14


7

Část 252  Prostředí rádiových kmitočtů (RF)

7.1

Úvod

Tato část se zabývá prostředím okolního elektromagnetického rušení týkajícího se pevných elektronických komunikačních zařízení, která slouží pouze jako přijímací rádiové komunikační stanice. Externí prostředí rádiových kmitočtů (RF) stanovuje minimální použitelnou intenzitu signálu pro uspokojivý provoz. Předmětem této části je poskytnout všeobecný popis RF prostředí pro místní typické venkovské prostředí a městské oblasti. Tento popis prostředí se pak může použít při návrhu, výstavbě, plánování a hodnocení pevných architektur rádiových komunikačních systémů pro zajištění akceptovatelných úrovní komunikačního provozu. Podrobný popis RF prostředí počítá se specifickým geografickým umístěním kdekoliv ve světě. Jejich charakteristiky, způsob měření a použití při návrhu rádiových komunikačních systémů je možno najít v literatuře k této části (viz 7.9). 7.2

Vliv na interoperabilitu v rámci NATO

Pochopení místního okolního RF prostředí je nutnou podmínkou pro zajištění interoperability v rámci Severoatlantické aliance (NATO). Strategické a taktické operace NATO vyžadují komunikaci a sdílení dat mezi jednotlivými členskými státy a mohou vyžadovat monitorování místního nebo globálního rádiového provozu. Pro správný příjem musí přijímané signály v rámci rádiové komunikace konkurovat místnímu okolnímu RF prostředí. Pokud jsou úrovně rušivých signálů v místě příjmu příliš vysoké, může dojít k rušení příjmu a zhoršení srozumitelnosti přenosu informací. 7.3 7.3.1

Charakteristiky prostředí Zdroje

RF prostředí se může vytvářet místními zdroji nebo se může tvořit interferencí ze zdrojů umístěných ve velké vzdálenosti. Podílí se na něm přírodní zdroje nebo zdroje vytvořené člověkem. Jejich amplituda je závislá výhradně na podmínkách šíření RF v různých ročních obdobích, denní době a konkrétních geografických podmínkách. Mezi přírodní zdroje RF energie patří mimo jiné blesky, atmosférické poruchy, galaktické zdroje a sluneční aktivita. Všechny tyto zdroje mají náhodný charakter. Zdroje vytvořené člověkem jsou např. rádiové a televizní vysílače, komunikační služby, radiolokátory, navigační vysílače, elektrické motory a generátory, fluorescenční a neonové zářivky a výbojky, zařízení pro obloukové svařování, RF indukční zdroje tepla a mnoho dalších. Největší vliv na prostředí RF v kritickém HF pásmu z hlediska zdrojů vytvořených člověkem má vedení distribuční elektrické sítě. 7.3.2

Popis okolního RF prostředí

Elektromagnetické prostředí v blízkosti rádiových přijímacích zařízení se soustřeďuje na dva mezinárodně uznávané parametry Fa a Vd. Fa je externí systémový činitel rušení vyjádřený v decibelech, který představuje výkon získaný na výstupních svorkách přijímací antény. Mediánová hodnota Fa se označuje jako Fam a slouží jako užitečný statistický odhad očekávané úrovně RF rušení, se kterým je nutno v místě příjmu počítat. Parametr Vd, který se někdy označuje jako napěťová odchylka, je poměr efektivní hodnoty napětí (rms) na svorkách přijímací

15

ČOS 999935 2. vydání Část 252 antény a střední hodnoty úrovně napětí, který se také někdy vyjadřuje v logaritmickém měřítku (dB). 7.3.3

Modely

Z důvodů vyhodnocení místa příjmu, musí existovat referenční nebo normalizované místo. V kmitočtovém pásmu 0,15 až 32 MHz takové referenční místo existuje. Vztahuje se k očekávané interferenci zdrojů vytvořených člověkem v elektricky klidném místě, které se označuje jako hranice klidného venkovského prostředí (QRSL). Tyto hodnoty jsou typicky nejnižší hodnoty zvolené pro zajištění minimálního rušení ze zdrojů vytvořených člověkem, a nižší úrovně zřídka nacházené na místech, která jsou blíže než několik kilometrů od napájecího vedení a elektrických zařízení. Rovnice pro výpočet parametru Fa v okolí těchto vedení jako funkce kmitočtu je následující: Fa = 28,6 log f + 53,6 (dBkT0) kde f

je kmitočet v MHz,

kT0

je prahová hodnota teplotního šumu.

Rozdíl 3 až 4 dB mezi naměřenou efektivní hodnotou Fam (hodnota mediánu Fa) a efektivní hodnotou QRSL definuje „vhodné“ místo (tj. nejsou zde žádné zdroje rušení vytvořené člověkem a omezení vytváří pouze přírodní zdroje interference). V místech, kde jsou zdroje rušení vytvořené člověkem, je rozdíl efektivních hodnot mnohem větší (viz [1]). Experimentálně bylo zjištěno, že úroveň rušení ze zdrojů vytvořených člověkem se snižuje se zvyšujícím se kmitočtem, vlivem charakteristik vyzařovaného spektra a odpovídajících činitelů šíření (viz [2]). Protože rušení ze zdrojů vytvořených člověkem je nejvýraznější v dopoledních hodinách, má větší význam referenční hodnota QRSL získaná v časovém intervalu mezi 8:00 a 12:00 hodinou. Použití hodnoty QRSL jako referenční, ač je žádoucí, má v typickém venkovském a městském prostředí omezenou použitelnost. Byl vyvinut předpovědní model vhodný pro kmitočtové pásmo 250 kHz až 250 MHz, který popisuje očekávané úrovně rádiového rušení pro různá prostředí [3], [4]. Tyto modely slouží jako užitečné měřítko: Průmyslové:

Fa = 27,7 log f + 76,8 (dBkT0)

Obytné:

Fa = 27,7 log f + 72,5 (dBkT0)

Parky a univerzity:

Fa = 27,7 log f + 69,3 (dBkT0)

Venkovské:

Fa = 27,7 log f + 67,2 (dBkT0)

Očekávané úrovně pro dálnice jsou identické s modelem pro obytné prostředí. V případě příspěvku rádiového rušení ve večerních hodinách je nutno použít jiné modely. Tyto se počítají jako očekávané úrovně atmosférického rušení v rádiovém pásmu, které se vyskytují na příslušném stanovišti. Mění se s kmitočtem, geografickými podmínkami, ročním obdobím a denní dobou. Informace je možno získat z [2]. Bohužel tento zdroj může posloužit spíše jako informativní než jako protiklad vyjádření reálnými hodnotami. Literatura [2] také poskytuje statistickou analýzu pro srovnání atmosférických hodnot Fam a Vam. Lze tedy také získat očekávané hodnoty atmosférického rušení (tj. mediány) spolu s údaji pro standardní odchylku a/nebo hodnoty horního (Du) a dolního decilu (Dl). Obrázek 1 představuje tyto předpovědní modely v závislosti na kmitočtu. 16


Fa (dBkT0B)

Hodnota mediánu Fam očekávaná v typickém místě

Kmitočet (MHz) QRSL

OBRÁZEK 1

Venkovské

Obytné

Průmyslové

Kosmické

Modely očekávaných úrovní v okolním prostředí RF

Očekávaný příspěvek kosmického šumu je možno modelovat následovně: Kosmické:

Fa = 23 log f + 52 (dBkT0) [5]

Napěťová odchylka nebo parametr Vd se definuje jako rozdíl hodnot vyjádřený v logaritmickém měřítku (dB) mezi efektivní hodnotou (ems) a střední hodnotou napěťové obálky rušení. Může se popsat jako očekávaná hodnota odchylky od střední úrovně napětí rádiového rušení. Jedná se tedy o indikaci stupně „ostrosti“ rušivého signálu a tedy o typ rušení. Hodnota Vd = 0 dB představuje průběžný signál. Ve skutečně klidném místě je hodnota asi 1,05 dB. Nízká hodnota Vd mezi 4 a 10 dB indikuje atmosférické nebo přírodní rušení, zatímco hodnoty mezi 15 a 20 dB indikují přítomnost rušivých zdrojů vytvořených člověkem. Parametr Vd spolu se sluchovým rozlišením signálu rádiového rušení zkušební obsluhou může pomoci při identifikaci zdrojů rušení, které se v rádiovém spektru vyskytují. (Dokument [4] obsahuje seznam zvukových signálů rušivých zdrojů, které se běžně vyskytují na mnoha komunikačních stanovištích).

17

ČOS 999935 2. vydání Část 252 7.4

Technika kontroly stanoviště

Popis místního RF prostředí má statistickou povahu. V libovolném čase se kmitočet i amplituda neustále mění. Při kontrole stanoviště se musí získat dostatečný počet údajů o kmitočtu a amplitudě v čase, ve kterém se bude funkce rozložení amplitud pro zvolené stanoviště určovat. Kontrola stanoviště se musí provádět opakovaně pro každé roční období. Měření se provádí v dopoledních hodinách mezi 8:00 a 12:00 hod, kdy jsou úrovně atmosférického rušení nejmenší. Je tedy vysoká pravděpodobnost zachycení zdrojů rušení vytvořených člověkem. Měření se také musí provádět ve večerních hodinách mezi 20:00 a 24:00 hod, kdy je naopak atmosférické rušení nejsilnější. Měření se musí provádět v kmitočtovém rozsahu, o kterém se předpokládá, že se bude na stanovišti používat. Nejčastěji se měření provádí v HF pásmu. Pro identifikaci některých „klidných“ kmitočtů je možno monitorování provádět denně. Podrobné studium se může např. provádět na 12 zvolených kmitočtech, kdy se jejich úroveň snímá každých 15 sekund po dobu 3 minut. Pokud se bude tato metoda provádět po dobu 10 až 14 dnů, získá se dostatečný počet údajů pro statistické vyhodnocení a určení mediánu rušivých úrovní. (Přednostně se ovšem používá průběžné monitorování rádiového rušivého prostředí na přijímacím stanovišti po 24 hodin denně po celý rok). Denně měřený medián efektivního napětí se převede na parametr šumového čísla (Fa) v jednotkách (dBkT0) nebo (dBkT0B). Hodnocení stanoviště se provádí na základě souboru údajů denního mediánu Fam a Vdm pro ranní a večerní interval měření. Tyto údaje se pak vykreslí v závislosti na kmitočtu pro vizuální vyhodnocení. Pro nashromážděný soubor denních mediánů je také možné použít statistickou analýzu pro určení očekávaného rozsahu hodnot Fa nebo Vd. Hodnota mediánu  jedna standardní odchylka určuje rozsah amplitud, které se na stanovišti vyskytnou s časovou pravděpodobností 67 %. Medián  dvojnásobek standardní odchylky poskytuje očekávaný rozsah hodnot amplitudy s časovou pravděpodobností 95 %. Plus minus trojnásobek standardní odchylky zajistí očekávaný rozsah amplitud s časovou pravděpodobností 97 % atd. Údaje je také možno vykreslit jako medián mezi Du a Dl. To znamená, že 10 % všech očekávaných hodnot Fa nebo Vd bude nižších než Dl, zatímco 10 % bude vyšších než Du. Jinými slovy, vykreslení mediánu s hodnotami Du a Dl poskytne očekávaný rozsah hodnot, se kterými je nutno počítat s časovou pravděpodobností 80 %. Příklady konečných údajů získaných výše uvedenými technikami jsou uvedeny na obrázcích 2 až 5.

18

ČOS 999935 2. vydání Část 252 Údaje rádiového rušení v létě (08:00 – 12:00 hod)

Fa (dBKT0B)

Fa medián (Fam)

Kmitočet (MHz) Fa Medián Obytné

OBRÁZEK 2

Atmosférický model Venkovské

QRSL Průmyslové

Příklad údajů prostředí RF, letní ráno

19


Fa (dBKT0B)

Fa medián (Fam)

Kmitočet (MHz) Fa medián Obytné

OBRÁZEK 3

Atmosférické Venkovské

QRSL Průmyslové

Příklad údajů prostředí RF, letní večer

20


dB

Vd medián (Vdm)

Kmitočet (MHz) Očekávaná hodnota Vdm

Vd medián

OBRÁZEK 4

Příklad údajů napěťových odchylek, letní ráno

21

ČOS 999935 2. vydání Část 252 Údaje rádiového rušení v létě (20:00 – 24:00 hod) Vd medián (Vdm)

Kmitočet (MHz) Očekávaná hodnota Vdm

Vd medián

OBRÁZEK 5 7.5

Příklad údajů napěťových odchylek, letní večer

Odhad provozu stanoviště

Za pomoci odhadu hodnoty mediánu Fa a Vd, srovnáním údajů s předpokladem atmosférického rušení [2] a pomocí několika následujících pravidel je možno provést vyhodnocení stanoviště. Změna ročního období bude mít vliv na příspěvek od atmosférického rušení. Rušení ze zdrojů vytvořených člověkem se (obvykle) šíří pomocí distribučního vedení napájecí sítě a není tedy ovlivňováno denními nebo sezónními změnami v ionosféře [2]. a) Vhodné stanoviště má hodnotu Fam maximálně o 3 nebo 4 dB vyšší než QRSL. b) Předpověď večerního (20:00 až 24:00) atmosférického rušení z ITU-R P-372-8 [2], se musí brát v úvahu jako typická nejvyšší úroveň rádiového rušení stanoviště, tedy úrovně rádiové rušení ze zdrojů vytvořených člověkem (dopolední údaje) nesmí tyto údaje překročit. 22

ČOS 999935 2. vydání Část 252 c) Na vhodném stanovišti existuje mezi ranní a večerní hodnotou Fam na kmitočtu 2,5 MHz rozdíl nejméně 20 dB. Toto pravidlo platí pro jarní, letní a podzimní roční období. Během zimního období je možno zaznamenat rozdíly 10 nebo více dB. d) Na vhodném stanovišti nejsou denní hodnoty Vdm vyšší než 3 dB. 7.6

Oddělovací vzdálenosti pro vyzařování elektronických zařízení nižšího než úrovně QRSL

Jeden z nejlevnějších způsobů snížení vlivu elektromagnetického rušení rádiové komunikace pro místa, která obsahují pouze přijímače, je zvětšení vzdálenosti (oddělovací vzdálenost) mezi zdroji elektromagnetického rušení a přijímacími anténami. Tabulka 1 ukazuje tyto vzdálenosti pro zařízení, která produkují vyzařované emise z jednotlivých elektronických zařízení a která splňují běžné požadavky vyzařovaných emisí nižších než QRSL, v závislosti na kmitočtu. Tabulka 1 předpokládá typické úrovně susceptibility na intenzitě pole rádiové komunikace, kde LOS je zkratka pro přímou viditelnost (Line of Sight) [6]. (Navíc se v literatuře rozebírají další vlivy elektromagnetického vyzařování z hlediska dopadu na jednotlivé uživatelské typy elektronických zařízení v dané geografické oblasti). TABULKA 1

Oddělovací vzdálenosti pro elektronická zařízení [6] Kmitočty  30 MHz

Kmitočty  30 MHz

Část 18, RF záření

0,7 km

0,7 km

Část 15, třída A

2,3 km

4,0 km

Část 15, třída B

0,7 km

0,7 km

Část 15, část C

2,2 km

6,4 km

Část 18, ISM s velkým výkonem

16 km (LOS)

16 km (LOS)

ČSN EN 55022, třída A

0,5 km

0,8 km

ČSN EN 55022, třída B

0,3 km

0,4 km

Norma Normy FCC

Normy ČSN

7.7

Oddělovací vzdálenosti pro vyzařování střídavého napájecího vedení nižšího než úrovně QRSL

V článku 7.3.1 se zmiňuje skutečnost, že největší příspěvek člověkem vytvářeného rušení v kritickém HF kmitočtovém pásmu tvoří napájecí vedení distribuční elektrické sítě. Následující odstavce převzaté z literatury [7] uvádějí minimální oddělovací vzdálenosti střídavých napájecích vedení a přenosových vedení od antén přijímacích zařízení pro zajištění, že vyzařované emise z těchto vedení jsou nižší než úrovně QRSL: a) Distribuční napájecí vedení 3,3 kV až 66 kV – rušení způsobené přeskokem v poškozených nebo uvolněných dílech je primární zdroj rušení v blízkosti přenosového vedení do 66 kV. Minimální oddělovací vzdálenost od distribučního napájecího vedení 3,3 kV až 66 kV je  560 m. b) Distribuční napájecí vedení 100 kV až 200 kV – rušení způsobené korónou se obvykle vyskytuje v napájecích soustavách s napětím vyšším než 100 kV. Minimální 23

ČOS 999935 2. vydání Část 252 oddělovací vzdálenost od distribučního napájecího vedení 100 kV až 200 kV je  24 km nebo vyšší než přímá viditelnost (LOS). RF komunikační signály vnucené na napájecí vedení musí splňovat minimální oddělovací vzdálenosti používané pro průmyslová, vědecká a lékařská zařízení. 7.8

Pozemní výstavba a četnost používání

Mnoho oblastí, ve kterých jsou místěny přijímače pro rádiovou komunikaci má zvýšené úrovně okolního rušení vlivem městské zástavby. Nevhodná městská zástavba v blízkosti takové oblasti může vést k jejímu zrušení, pokud se výstavba nesleduje. Plánování městské výstavby s vytvářením ochranných zón z hlediska EMI, je účinným nástrojem pro regulaci městské výstavby v okolí oblasti, kde jsou umístěny přijímače tak, aby se nezvyšovalo elektromagnetické pozadí. Ochranné zóny EMI jsou kruhové oblasti okolo pevných a často používaných anténních systémů, které jsou důležité z hlediska provozní bezpečnosti místa. Existují tři typy ochranných zón EMI, které se určují z rozměrů přijímací antény: a)

Tichá EMI zóna je do okruhu 1,6 km od vnějších rozměrů antény.

b) Přechodová EMI zóna se uvažuje ve vzdálenosti 1,6 až 3,2 km od vnějších rozměrů antény. c)

Vnější EMI zóna je ve vzdálenosti 3,2 až 10,0 km od vnějších rozměrů antény.

Tabulka 2 uvádí podrobnosti pro městskou výstavbu a četnosti použití, které může ministerstvo obrany použít při umísťování svých nemovitých zařízení. O umístění nemovitých zařízení se může rozhodovat na základě dohody s místními orgány pro zajištění nezvyšování elektromagnetického pozadí v místě přijímacích zařízení; např. při schvalování územních plánů v horizontu 20 až 25 let. Ministerstvo obrany je pouze jedním z účastníků procesu plánování městské výstavby. Oddělovací vzdálenosti uvedené v tabulce 2 jsou určeny empiricky a nebyl použit žádný analytický model nebo soubor údajů. Nicméně jejich použití umožňuje určit možné zvýšení elektromagnetického prostředí způsobeného městkou zástavbou. TABULKA 2

Pozemní výstavba a četnost používání

Typ stavby

Tichá EMI zóna

Přechodová EMI zóna

Vnější EMI zóna

Objekty přijímacího místa

Pouze objekty nutné k provozu

Možné s omezením

Možné

Distribuční vedení 3,3 kV až 66 kV

Pouze podzemní

Pouze podzemní

Možné

Distribuční vedení 66 kV

Žádné

Žádné

Ne blíže než na přímou viditelnost z vrcholu antény nebo 3,2 km, podle toho, která vzdálenost je větší (pokračování)

24

ČOS 999935 2. vydání Část 252 TABULKA 2

Pozemní výstavba a četnost používání (pokračování)

Typ stavby

Tichá EMI zóna


Vnější EMI zóna

Vertikální proluky všech konstrukcí

3°

3°

3°

Veřejné osvětlení s vyloučením výbojek

Možné s omezením

Možné s omezením

Možné

Veřejné osvětlení s výbojkami

Žádné

Možné

Možné

Bytová výstavba

Žádná

Maximálně 5 jednotek  5 jednotek / 0,4 ha / 0,4 ha

Školy, kostely, prodejny, nákupní centra

Žádné

Možné s omezením osvětlení a mírným omezením provozu

Možné

Čerpací stanice

Žádné

Žádné

Možné

Zábavní střediska

Žádné

Žádné

Možné ve větší vzdálenosti než 10 km

Golfové hřiště

Možné s omezením

Možné s omezením

Možné

Rekreační objekty jako např. hřiště pro míčové hry, tenisové kurty, veřejné záchody apod.

Možné s omezením

Možné s omezením

Možné

Zemědělské objekty

Žádné

Možné s omezením

Možné

Osvětlené objekty, jako jsou obchodní domy, montážní haly, restaurace a kancelářské objekty (proluky 3)

Žádné

Žádné

Možné ve vzdálenosti větší než 6,5 km

Objekty těžkého průmyslu, včetně hutí, petrochemických továren a svařoven

Žádné

Žádné

Možné ve vzdálenosti větší než 10 km

Průmyslové objekty používající RF ohřev, včetně lepení překližek, výroby a svařování plastických hmot

Žádné

Žádné


(pokračování)

25

ČOS 999935 2. vydání Část 252 TABULKA 2 Typ stavby

Pozemní výstavba a četnost používání (dokončení) Tichá EMI zóna


Žádné

Žádné


Možné s omezením

Možné

Možné

Žádné

V souladu s národními kmitočtovými tabulkami

V souladu s národními kmitočtovými tabulkami

Možné ve vzdálenosti větší než 200 m a spojené každé 2 m

Možné

Možné

Žádné

Žádné

Možné

Možné

Možné

Možné ve vzdálenosti větší než 150 m

Možné

Možné

Možné ve vzdálenosti větší než 300 m

Možné

Možné

Elektrárny Zařízení krátkého dosahu, např. bezdrátové telefony, zařízení pro dálkové ovládání, lékařskou telemetrii, dálkově řízené modely atd. Libovolné rádiové/radiolokátorové stanice, základnové stanice, rozhlasové vysílače, radiomajáky nebo bezdrátové kancelářské systémy včetně soukromých a uživatelských systémů Drátové ploty

Elektrické ploty

Železnice, tramvaje a Možné ve další dopravní vzdálenosti větší než prostředky se sběracím 1 km vedením Dráhy a železobeton

Parkoviště

7.9

Vnější EMI zóna

Literatura k části 252

[1]

Lauber, W. & Pike, C.: “Radio Noise Survey Procedures for a Communication Site 0.15–30 MHz” (Postupy zkoumání rádiového šumu komunikačních stanovišť 0,15–30 MHz).

[2]

ITU-R P-372-8: Characteristics and Application of Atmospheric Radio Noise Data; International Radio Consultative Committee; Geneva, Switzerland (Charakteristiky

26

ČOS 999935 2. vydání Část 252 a použití údajů o atmosférickém rádiovém šumu; Mezinárodní poradní komise pro rádio). [3]

Skomal, E. & Smith, A.: Measuring the Radio Frequency Environment (Měření v prostředí rádiových kmitočtů).

[4]

IEEE Std 473-1985: "IEEE Recommended Practice for an Electromagnetic Site Survey (10 kHz to 10 GHz)" (Doporučené IEEE postupy pro elektromagnetický průzkum stanovišť (10 kHz až 10 GHz)).

[5]

Hagn, G. & Shephard, R.: Selected Radio Noise Topics; Appendix A; SRI International; Project # 5002 (Vybraná témata o rádiovém šumu; Příloha A).

[6]

Arafiles, V.P. and Sanchez, M. J.: “Impact of Radiated Emission Standards on Receiver Sensitivity and the Ambient Electromagnetic Noise Environment”; IEEE EMC 1995 Symposium Record; pages 189-193 (Vliv norem pro vyzařované emise na citlivost přijímače a okolní elektromagnetické pozadí).

[7]

Arafiles, V. P.: Minimum Separation Distance Between AC Power Lines and Radio Communication Sites; IEEE EMC 1994 Symposium Record; pages 343-347 (Minimální oddělovací vzdálenost mezi střídavými distribučními napájecími vedeními a radiokomunikačními základnami).

[8]

Federal Communication Commission (FCC), Code of Federal Regulations (CFR) 47, Part 15 Radio Frequency Devices, and Part 18 Industrial, Scientific and Medical Equipment; USA (Federální komunikační komise (FCC), Federální prováděcí vyhláška (CFR) 47, Částka 15  Zařízení pro rádiové kmitočty, a částka 18  Průmyslové, vědecké a lékařské přístroje; USA).

[9]

ČSN EN 55011: Průmyslová, vědecká a lékařská (ISM) vysokofrekvenční zařízení – Charakteristiky vysokofrekvenčního rušení – Meze a metody měření

27


8

Část 253  Elektrostatický náboj, atmosférickými srážkami (P-Static)

8.1

Úvod

výboj

a

poruchy

způsobené

Elektrostatický náboj a případný výboj, může mít za následek poruchy v provozu elektronického zařízení nebo poškození elektronických obvodů. Energie, která se uvolní v průběhu výboje je potenciálně nebezpečná pro obsluhu, palivové výpary a výzbroj. K přenosu elektrického náboje dochází, kdykoliv se dva objekty dotknou a následně oddělí. Náboje se mohou shromažďovat v objektech, zvláště když jsou vytvořeny z nevodivých materiálů. Opakovaný kontakt, jako je tření nebo nárazy mohou výrazně zvýšit akumulaci náboje. Náboj se většinou vytváří třením (tribo-elektrický náboj). Systém může akumulovat elektrostatický náboj prostřednictvím mechanizmů, které se vytváří v průběhu následujících činností: průlet letadla deštěm, prachem, sněhem nebo ledovými krystalky, snímáním plastových obalů ze zbraní nebo jejich součástí. Zvláštní druh náboje, který se vytváří při styku s deštěm nebo sněhem se označuje jako statický náboj vytvořený klimatickými srážkami (P-Static). Náboj na osobě se může tvořit třením při chůzi po nevodivé podlaze, zvláště používá-li osoba oblečení s polyesterovým vláknem. Vedle náboje vytvářeného třením existují další dva mechanizmy, které způsobují nabití letadla. a) Zplodiny vycházející ze spalovacích nebo tryskových motorů nesou náboj, který způsobuje nabití těchto motorů a jejich krytů. b) Objekty se mohou nabít indukcí v přítomnosti elektrických polí jako je blízkost vysoce nabitého mraku nebo jiného nabitého objektu. Nabitý objekt může např. způsobit nabití druhého objektu pouhým přesunem do blízkosti (bez kontaktu) druhého objektu. Toto je zvlášť pravděpodobné, když je druhý předmět vodivý. Pokud se pak druhý objekt uzemní, pak se náboj z nabitého objetu přesune nebo předá do druhého objektu. Výsledkem je pak zbytkový elektrostatický náboj. Elektrické náboje se přenášejí prudkým tokem elektronů, kdykoliv se dotknou a následně oddělí dva objekty s různým elektrostatickým potenciálem. Tento tok generuje elektromagnetické pole v širokém kmitočtovém spektru od nízkých kmitočtů do oblasti jednotek GHz. Vedle rychlých vybíjecích proudů, které generují elektromagnetická pole (podrobnější informace viz [10]), se mohou vyskytovat elektromagnetická pole a následný možný korónový efekt způsobený vysokým napětím a přidruženou intenzitou elektrického pole, které se vytvoří před a během výboje. 8.2 8.2.1

Prostředí Parametry elektrostatického náboje vytvářeného osobami

V průběhu údržby může kontakt obsluhy s konstrukcí vytvořit elektrostatický náboj jednak na osobě jednak na zařízení (zvlášť, je-li povrch zařízení tvořen nevodivým materiálem). Tento náboj může vytvořit nebezpečí pro osoby nebo může způsobit poškození nebo zničení elektronických zařízení. Potenciálně citlivé elektronické části jsou mikroobvody, polovodiče, rezistory tvořené tenkými a tlustými vrstvami, integrované obvody, hybridní obvody a piezoelektrické krystaly. Susceptibilita závisí na velikosti a tvaru impulzu elektrostatického výboje (ESD). 28

ČOS 999935 2. vydání Část 253 ESD od obsluhy je zvlášť nebezpečný v případě manipulace s municí. Z toho vyplývá, že munice musí být odolná proti nejvyšší úrovni elektrostatického výboje vytvářeného člověkem. Existuje celá řada charakteristik, které popisují nebezpečí elektrostatického výboje způsobeného osobami, jejichž hodnoty se mění v širokém rozsahu. Stupeň nebezpečí závisí na typu oblečení, obuvi a relativní vlhkosti a teplotě okolního vzduchu. Viz [11]. Byla vedena celá řada diskusí o úrovních a průbězích ESD na modelech lidského těla, protože chemické složení lidského těla se mění. Parametry, které se zvolily pro simulaci lidského těla z hlediska ESD představují nejhorší případ pro manipulaci v prostředí s municí a bez munice. Stejné prostředí se používá v AOP-43 [12], MIL-STD-331 [13] a MIL-STD-464 [14]. Elektrostatická prostředí (úrovně nabití/vybití), která se používají pro odhad a zkoušky při manipulaci s vojenskou technikou v Severoatlantické alianci (NATO) jsou uvedena v tabulce 3 a popsána v odstavcích 8.2.1.1 a 8.2.1.2. Zkoušky ESD se popisují v ČOS 051627, kategorie 508, část 2 [15]. TABULKA 3

Nejhorší případ elektrostatických parametrů pro osoby Parametry

Zařízení

Elektrostatické napětí (kV)

Kapacita

Odpor

Indukčnost

(pF)

()

(H)

S municí

25  5 %

500  5 %

500  5 %

Max. 5

S municí

25  5 %

500  5 %

5 000  5 %

Max. 5

Bez munice

8  5 % nebo 15  5 %

150  5 %

330  5 %

Max. 5

Poznámka: Napětí nabývá kladných nebo záporných hodnot. 8.2.1.1 S municí V případě prostředí kde se vyskytuje munice, nebo z důvodu požadavku vysoké bezpečnosti elektrického/elektronického zařízení je nutno snížit riziko způsobené poruchami. Nebezpečí může představovat nabití kondenzátoru 500 pF na 25 kV a jeho vybití přes rezistor 500 nebo 5 000  a celkovou indukčnost obvodu menší než 5 H. Toto představuje potenciální parametry povrchu lidského těla při jeho nabití a kapacitě a odporu, které ovlivňují průběh výboje. Zkouška ESD, který se vybíjí přes rezistor 500  se uvažuje jako nejhorší případ elektrostatického výboje produkovaného lidským tělem. Zkouška, při které se používá rezistor 5 000 , tvoří méně nebezpečný proud. Nebezpečí při použití rezistoru 5 000  je v rozdílném tvaru impulzu, který může způsobit, že proud teče jinou cestou. 8.2.1.2 Bez munice V případě, kdy se nebezpečí nepředpokládá, se může zkouška realizovat nabitím kondenzátoru 150 pF na 15 kV a provedením vzduchového výboje nebo nabitím na 8 kV a provedením kontaktního výboje. Vybíjení se provádí přes rezistor 330  a celková indukčnost obvodu, nesmí překročit 5 H [14]. 8.2.2

Parametry elektrostatického náboje vytvářeného vrtulníky

Charakteristiky nabíjení vrtulníků, zvláště při vertikálním letu a při tankování za letu, se mění v širokém rozsahu; ovšem typickou hodnotu může představovat nabití kondenzátoru 1 000 pF (který představuje elektrickou kapacitu vrtulníku; elektrická kapacita vrtulníku je 29

ČOS 999935 2. vydání Část 253 závislá na jeho velikosti) na napětí 300 kV a vybití přes rezistor 1  (maximum), kdy celková indukčnost obvodu nesmí překročit 20 H. Viz tabulka 4. Při tankování za letu, musí pilot během připojování sledovat a hlásit vznik oblouku mezi tankovací sondou a košem. Tyto výboje mohou být až několik palců dlouhé. V závislosti na těchto pozorováních byla odvozena zkušební hodnota 300 kV. Letadlo, které vykazovalo při tankování za letu elektrostatické výboje mělo problémy s navigací a tedy i s řízením. Kondenzátor 1 000 pF použitý při zkouškách, představuje vhodnou hodnotu pro rozměrná letadla [14]. TABULKA 4

Parametry elektrostatického náboje vytvářeného vrtulníky Parametry

Zařízení

Vrtulník

Elektrostatické napětí

Kapacita

Odpor

Indukčnost

(kV)

(pF)

()

(H)

300  5 %

1 000  5 %

1

Max. 20

Poznámka: Napětí 300 kV musí být použito jak s kladným tak i záporným znaménkem. 8.2.3

Výboj způsobený klimatickými srážkami (P-Static)

Statická elektřina se akumuluje na letadle při letu (P-Static náboj), protože neexistuje žádná cesta, kterou by se náboj z povrchu letadla odvedl. Pro odvedení tohoto náboje jsou nutné speciální řídicí mechanismy. Akumulovaný náboj vytváří na povrchu letadla vzhledem k okolnímu vzduchu potenciál. Pokud potenciál překročí určitou hranici, začnou se na hranách letadla, kde je potenciál nejvyšší, tvořit výboje. Tyto výboje produkují širokopásmové vyzařované rušení, které může snížit účinnost antén připojených k přijímačům. Tento jev se projevuje hlavně u přijímačů, které pracují s nízkým kmitočtem. Impulzy se mohou vyskytovat tak rychle, že přijímače vydávají pouze syčení a stanou se nefunkčními. P-Static výboje se používají hlavně pro ověření tohoto efektu. Zařízení jsou navržena tak, aby odváděla akumulovaný náboj z letadla s dostatečně malou úrovní aby, nedocházelo k rušení přijímačů. Celkový nabíjecí proud závisí na klimatických podmínkách, celkovém povrchu letadla a rychlosti letu (V). Celkový nabíjecí proud je možno určit z následujícího vztahu: kde

It = Q  C  Sa  V

It

je celkový nabíjecí proud (A),

Q

je náboj přenesený nárazy částic do povrchu čelního profilu (C/částice),

C

je hustota částic (množství částic/m2),

Sa

je celková plocha povrchu čelního profilu (m2),

V

je rychlost letu (m/s).

Je třeba si uvědomit, že lineární vztah rychlosti neplatí při vyšších rychlostech. Toto se odráží použitím termínu účinné plochy ve zjednodušeném vztahu: kde

It = Ic  Seff

30

ČOS 999935 2. vydání Část 253 Seff

je účinná plocha čelního profilu (m2),

Ic

je proudová nábojová hustota (A/m2).

Seff je funkcí rychlosti. S rychlostí se zvyšuje. Při nadzvukových rychlostech se rychlost nabíjení snižuje, jak se krystalky ledu při nárazu rozpouštějí. Pro různé typy mraků je možno určit následující vrcholové proudové hustoty: cirus

50 až 100 A/m2,

stratokumulus

100 až 200 A/m2,

frontální sněžení

300 A/m2.

Vzácně byla pozorována i proudová hustota 400 A/m2. Řízení akumulace statického náboje se zajišťuje tím, že všechny povrchy konstrukce jsou středně vodivé (megaohmy). Radiolokátorové kryty (radomy) a aerodynamické kryty antén nemohou být příliš vodivé, protože to narušuje jejich funkci. Vodivé vrstvy je možno použít na všechny externí nevodivé části konstrukce systému. Elektrostatický náboj může kumulovat libovolná část konstrukce. Pro pomalé odvádění náboje se musí při vývoji použít vhodné prostředky, jako ochrana proti vytvoření vysokých napětí. 8.2.4

Nabíjení kosmických lodí

Nabíjení kosmických lodí je proces, při kterém orbitální kosmická loď akumuluje elektrický náboj z okolního přírodního kosmického plazmatu. Nabité částice plazmatu narážejí do kosmické lodi a způsobují kumulaci náboje na exponovaném povrchu. Nad výškou přibližně 90 km jsou částice molekul, které jsou obsaženy v atmosféře Země, ionizovány slunečním zářením a vytvářejí se kladné ionty a záporné elektrony. Tato směs elektricky nabitých částic se označuje jako přírodní kosmická plazma a je přítomná na všech orbitálních drahách kosmických lodí kolem Země. Částice přirozené kosmické plazmy jsou silně závislé na zeměpisné šířce a délce. Při nízkém náklonu (inklinaci), na nízké orbitální dráze je plazma relativně hustá a má malou energii, zatímco geostacionární družice Země se typicky setkává s plazmou s nízkou hustotou a vysokou energií, vytvářenou geomagnetickými bouřemi. Definují se dvě hlavní kategorie nabíjení kosmických lodí. Klasifikují se jako povrchové nabíjení (externí) a dielektrické nabíjení (interní nebo objemové). a)

Povrchové nabíjení se vytváří interakcí mezi povrchem družice a kosmickou plazmou, geomagnetickým polem a slunečním zářením. Vlivem různé geometrie a materiálních vlastností povrchu způsobují tyto interakce různé kladné a záporné proudy na povrchu kosmické lodi a tím se vytváří různé náboje, které mohou vést k povrchovým obloukům nebo ESD mezi povrchy družice s různým potenciálem.

b) Dielektrické nebo objemové nabíjení, které se také někdy označuje jako interní nabíjení, se tvoří nábojem na povrchu a uvnitř dielektrických materiálů nebo na volných izolovaných vodičích uvnitř kosmické lodi. Energetické elektrony s energií od jednotek kV do několika MV mohou pronikat povrchem kosmické lodi a vytvářet náboj ve vnitřním prostoru. Pokud je množství přijímaných elektronů větší než množství elektronů unikajících, začne se elektrický náboj zvětšovat, dokud se nepřekročí prahová hodnota a nedojde k elektrickému oblouku. Oba typy nabíjení mohou vést k ESD, který může mít dopad na program kosmického úkolu (je možno konstatovat, že vzestupná doba kosmického ESD je kratší než na Zemi). Obvykle má větší účinek na poškození hloubkový náboj, protože k němu dochází uvnitř 31

ČOS 999935 2. vydání Část 253 dielektrického materiálu nebo na dobře izolovaných vodičích uvnitř kosmické lodi. Některé z efektů, které byly zaznamenány uvnitř kosmické lodi, jsou následující: a)

Provozní anomálie (telemetrické výpadky, logické chyby, poškození součástek, nesprávné příkazy) způsobené vazbou přechodových ESD uvnitř elektronických zařízení kosmické lodi.

b) Poškození fyzického povrchu kosmické lodi (např. zrcadlových teplotních řízených povrchů) jako důsledek obloukových výbojů. 8.3

Literatura části 253

[10]

IEC 60749-26: Semiconductor devices  Mechanical and Climatic Test Methods  Part 26: Electrostatic Discharge (ESD) Sensitivity Testing  Human Body Model (HBM) (Polovodičová zařízení – mechanické a klimatické zkušební metody – Část 26: Zkoušky susceptibility na elektrostatický výboj – model lidského těla (HBM)).

[11]

Air and Space Interoperability Council (ASIC)  Air Standards  Advisory Publication 20/36  Hazards of Electrostatic Discharge to Aircraft Stores (Rada pro vzdušnou a kosmickou vzájemnou spolupráci (ASIC) – Letecké normy – Doporučení 20/36 – Nebezpečí elektrostatického výboje v leteckých nákladech).

[12]

AOP-43: Electro-Explosive Devices: Test Methods for Characterization: Guidelines for STANAG 4560 (Hodnocení a zkušební metody pro určení charakteristik elektricky rozněcovatelných prostředků, směrnice pro STANAG 4560).

[13]

MIL-STD-331: Fuze and Fuze Components, Environmental and Performance Tests (Zkoušky vlivu prostředí a funkce zapalovačů a součástek zapalovačů,).

[14]

MIL-STD-464 Electromagnetic Environmental Effects Requirements fos Systems (Účinky elektromagnetického prostředí – Požadavky na systémy).

[15]

ČOS 051627, kategorie 508, část 2: Zkoušky vlivu elektrického a elektromagnetického prostředí – Zkoušky vlivu elektrického výboje na munici.

8.3.1

Další vhodné národní/mezinárodní normy

IEC-61000-4-2: Electromagnetic Compatibility (EMC) – Part 4: Testing and Measurement (Elektromagnetická kompatibilita (EMC)  Část 4: Zkušební a měřící technika  Oddíl 2: Elektrostatický náboj  zkouška odolnosti  Základní norma EMC.

32


9

Část 254  Atmosférická elektřina a blesk

9.1

Úvod

9.1.1

Základní informace

Tato část popisuje jev atmosférického elektrostatického náboje a výsledného výboje označovaného jako blesk. Udává hodnoty parametrů blesku pro přirozený výboj z mraku do země a výboje mezi mraky popřípadě uvnitř mraků a další normálové úrovně elektrostatických nábojů, které existují bez bleskového výboje. Dále se zde uvádí odvození standardizovaných definic parametrů blesku pro indukované jevy a pro zkoušky. 9.1.2

Použití

Popsaná prostředí je možno použít pro pozemní, námořní a vzdušné systémy. Parametry se definují pro přírodní, odvozené a zkušební prostředí týkající se přitažení blesku. Pořizovatelé a výrobci zařízení musí rozhodnout, zda je třeba konkrétní systémy a zařízení zodolnit proti přímým nebo nepřímým úderům blesku do platformy/podsystému nebo do jejich blízkosti. Toto rozhodnutí se musí provádět na základě kritického rozboru systému/zařízení. Je možno požadovat, aby byly systémy odolné a pokračovaly v činnosti nebo aby zůstaly pouze nepoškozené a po úderu blesku mohou být nefunkční. 9.2

Atmosférická statická elektřina

Atmosférická elektřina se považuje za prostředí, kde se zvyšuje možnost indukovaných elektromagnetických jevů a možnost přímého poškození vlivem úderu blesku. Faktory, které se zahrnují do elektrických vlastností atmosféry jsou elektrická pole, proudy a vodivost, dále pak kladné a záporné ionty v širokém rozsahu rozměrů. Náboj vytvořený atmosférickými srážkami ustanovuje indukované prostředí, které je popsáno v ČOS 999935, Část 253 [16]. V případě jasného počasí produkuje horizontální rovina atmosféry vertikální gradient elektrického pole, který se mění od méně než 10 V/m ve výšce 10 km až do hodnoty kolem 100 V/m v blízkosti povrchu Země, jak je možno vidět na obrázku 6. Elektrické pole může mít za jasného počasí významný vliv ve zvláštních případech, jako jsou řízené střely naváděné po vodiči z vrtulníku, kdy se mohou vlivem pohybu řízené střely v prostředí, kde je jiný elektrický potenciál než v blízkosti vrtulníku, vytvořit vyrovnávací proudy. V troposféře, což je oblast maximálně do výšky 8 km nad póly a kolem 16 km nad rovníkem, se k faktorům, které mají významný vliv na elektrické vlastnosti, připojuje pohyb vzduchových mas, atmosférický tlak, teplotní gradient a rozložení vodních par, které mají vliv na nabité a nenabité aerosoly a radioaktivní částice pozemského původu. Tyto vlivy jsou největší v přechodové vrstvě (Exchange Layer), která se rozprostírá ve výšce maximálně do 3 km nad zemským povrchem. Uvnitř této vrstvy jsou rozměrově malé konvekční proudy, které nesou vzduchové vrstvy, spolu s ionty a jádry které obsahují, do horních vrstev této oblasti a kde se vytváří jejich dokonalá směs. Horní hranice je často viditelná jako vrstva mraků označovaných jako „beránky“ nebo mlha a je významně indikována elektrickými měřidly. Významný vliv na výměnný mechanizmus má teplotní inverze, kdy se teplota s výškou zvyšuje.

33

Nadmořská výška (km)


Elektrické pole (V/m)

OBRÁZEK 6

Střední hodnoty a meze vertikálního elektrického pole jako funkce výšky, pozorované za jasného počasí

Podle elektrostatických zákonů, unikne za 10 min asi 90 % záporného náboje Země vlivem vodivosti vzduchu, ale výsledný náboj zůstává prakticky konstantní. Bouřkové a dešťové mraky slouží jako generátor, který řídí proud vzhůru, tedy opačným směrem než proud za jasného počasí. Potenciální gradient v oblasti jasného počasí má stejné denní změny na celé Zemi, pokud se vztahují ke světovému času. Toto je ve fázi s denními změnami světové bouřkové aktivity. Potenciální rozdíl mezi Zemí a ionosférou, což je oblast nad stratosférou, je okolo 275 kV. Při výskytu mraků, se jejich povrch stává elektricky nabitý a rozložení náboje závisí nejvíce na teplotním gradientu. Pokud nastane dostatečná kumulace náboje, dojde k výboji a vzniknou podmínky pro výskyt bouřek. Tyto efekty totálně překrývají rozložení pole při jasném počasí. V blízkosti bouřkových mraků byla pozorována intenzita elektrostatického pole vzhledem k zemní úrovni až 6 kV/m. Ve vyšší nadmořské výšce uvnitř mraků existuje intenzita pole ještě vyšší. Bouřkové mraky jsou typu kumulonimbus a rozložení elektrického náboje uvnitř těchto mraků je velmi složité. Teoretické modely rozložení nábojů uvnitř bouřkových mraků se popisují v celé řadě elaborátů a učebnic, ale když rozložení a intenzita dosáhne dostatečné úrovně, dojde k úderu blesku. Obrázky 7 a 8 ukazují příklady rozložení úderů blesku v různém čase na různých místech. V libovolném čase je celkový počet činných bouřek na povrchu Země asi 2 000; počet bouřek za jeden den je asi 50 000. Popis procesů a mechanizmů, které vedou k úderu blesku nebo bleskovému výboji, je možno nalézt v celé řadě publikací/učebnic (např. v [17]). V této části jsou uvedeny pouze důležité údaje týkající se popisu prostředí a jeho vlivu na vojenskou techniku.

34

ČOS 999935 2. vydání Část 254 únor

březen

duben

květen

červen

červenec

srpen

září

říjen

listopad

prosinec

Střední počet za hodinu

leden

Místní střední čas

OBRÁZEK 7

Střední počet úderů blesku za hodinu v jižní Anglii za období 7 let Počet blesků za měsíc

duben

OBRÁZEK 8 9.3 9.3.1

květen

červen

červenec

srpen

září

Počet úderů blesku za měsíc ve střední Evropě v letech 1992 až 1999

Přírodní prostředí blesku Parametry blesku mezi mrakem a Zemí

Tabulky 5 a 6 obsahují údaje a hodnoty stavového parametru měřeného na povrchu Země nebo v jeho blízkosti pro určení konkrétní pravděpodobnosti výskytu výboje mezi mrakem a Zemí přejaté z různých zdrojů. Numerické hodnoty parametrů se mění v širokém rozmezí blesk od blesku a nejlepší výsledky je tedy možno dosáhnout při statistickém zpracování. Pro libovolně daný parametr je možno získat hodnoty z průběhu, který uvádí percentuální výskyt blesků, u kterých hodnota parametru přesahuje zvolenou úroveň. V tabulkách 5 a 6 jsou uvedeny úrovně záporných a kladných úderů pro požadovanou pravděpodobnost výskytu. Tyto hodnoty jsou převzaty z Evropského dokumentu ED-84 [18] s výjimkou dodatečného sloupce 2 % pro záporné údery, který je převzat z uveřejněných údajů a zamýšlen tak, aby se co nejlépe přizpůsobil grafu. Všechny parametry úrovní a pravděpodobností neplatí pro každý blesk; neplatí např. pro sloupce 2 % a 5 %. Důležitá práce byla vykonána pro zjištění hrozby, kterou je možno použít jako návrhové kritérium. Tato „odvozená hrozba“, uvedená v odstavci 9.5, bere do úvahy relativní kmitočet výskytu kladných a záporných úderů vzhledem k zemi. Tabulky ilustrují různé vlastnosti přírodních blesků a poskytují ohodnocení, pravděpodobnost a závažnost odvozené hrozby. 9.3.2

Blesky uvnitř mraků a mezi mraky

Blesky uvnitř mraků a mezi mraky jsou podobné jako blesky vzhledem k zemi, ale mají rozdílné hodnoty parametrů. Výboje vytvářené uvnitř mraku mají charakter pruhů, které se vyskytují při vrcholových proudech 60 kA a typická doba vzestupné hrany je menší než 0,4 s. 35

ČOS 999935 2. vydání Část 254 Tyto úrovně byly sice pozorovány, ale typické hodnoty jsou 20 – 30 kA a jejich trvání je asi 200 ms. Typický blesk uvnitř mraku je uveden na obrázku 9. Impulzy, vyskytující se během prvotní fáze přitažení, se mohou objevit také při úderu záporného blesku do země. 9.3.3

Elektrické pole

Příčinou bleskového výboje, který vznikne elektrickým průrazem na rozhraní vzduch/mrak za přítomnosti silného elektrického pole, jsou atmosférické podmínky. Úroveň statického elektrického pole, při kterém dojde k proražení, se mění podle přítomnosti vody a/nebo ledu, se pohybuje od 500 kV/m až do 2 nebo 3 MV/m. Při formování bleskového kanálu je nejdůležitější rychlost změny pole. Rychlost změny elektrického pole dE/dt se při zkoušce nepřímým úderem blesku někdy musí simulovat. Hodnoty, které se obvykle berou v úvahu závisí na tom, zda se jedná o letadlo za letu nebo o pozemní zařízení a pohybují se mezi 1012 a 1013 V/m/s. Ačkoliv je nepravděpodobné, že by elektromagnetické vyzařování ze vzdáleného nebo dalekého pole blesku bylo nebezpečné pro techniku, je typické prostředí dalekého pole uvedeno na obrázku 10. Amplituda tohoto prostředí je nepřímo úměrná vzdálenosti od blesku. Nejsou uvedeny žádné odvozené hrozby, a pokud se to požaduje, musí se zkoušky provádět v odvozeném prostředí, které určí příslušný orgán státu. TABULKA 5 Parametry

Parametry záporného blesku měřené na zemní úrovni Jednotky

Počet rázů

Parametry blesku 95 %

50 % typicky

5%

2%

12

34

12

> 12

Časové intervaly mezi rázy

ms

8

35

140

320

Vrcholový proud (1. úder)

kA

14

30

80

140

Vrcholová doba náběhu (1. úder)

A/s

5,5109

1,21010

3,21010

41010

Doba vrcholu (všechny rázy (viz poznámka 1)

s

18

5,5

1,8

1,2

Šířka impulzu poloviny proudu (všechny rázy v blesku)

s

30

75

200

170

Vrcholový proud (následné rázy)

kA

4,6

12

30

100

Vrcholová doba náběhu (následné rázy)

As

1,21010

41010

1,21011

Pozn. 2

Amplituda průběžného proudu

A

33

140

520

520

Trvání průběžného proudu

s

0,058

0,16

0,4

0,4

Náboj průběžného proudu

C

7

26

110

110 (pokračování)

36


Parametry záporného blesku měřené na zemní úrovni (dokončení)

Parametry

Jednotky

Akční integrál

Parametry blesku 95 %

50 % typicky

5%

2%

A2s

6103

5,5104

5,5105

0,8106

Náboj následného rázu

C

0,2

1,4

11

20

Celkový náboj blesku (mimo průběžný proud)

C

1,3

7,5

40

90

Doba trvání blesku

s

0,03  0,04

0,2

1

1

Poznámka 1: Hodnota tohoto parametru je pro procento blesků, kde je hodnota menší než dané číslo. Poznámka 2: Hodnota 1,41011 se užívá proto, že byla naměřena při výbojích uvnitř mraků. TABULKA 6 Parametry

Parametry kladného blesku měřené na zemi Jednotky

Parametry blesku 50 % typicky

5%

Vrcholový proud

kA

35

250

Vrcholová doba náběhu

A/s

2,4109

3,21010

Uvažovaný doba vrcholu

s

22

200

Šířka impulzu pro poloviční proud

ms

230

2 000

Celkový náboj blesku

C

80

350

Akční integrál

A2s

6,5105

15106

Trvání blesku

s

0,085

0,5

Poznámka: Znak % představuje procento všech rázů, při kterých se dosáhne hodnoty parametru nebo je hodnota překročena.

37

Napětí dBV/m (šířka pásma 1 kHz)


Kmitočet

OBRÁZEK 9 Proud I (kA)

Typický úder blesku do letadla uvnitř mraku

Jednotlivé impulzy převážně  50 kA

Vzestupná hrana: 100 ns až 10 s Sestupná hrana: 1 s – 50 s Rychlost náběhu: max. 1011 A/s

Násobné toky zpětného úderu Fáze přitažení 2  20 ms

Náhodné impulzy s nízkou úrovní Fáze uvolnění

Přechodová fáze

Čas

OBRÁZEK 10 Obálka vrcholové intenzity pole v závislosti na kmitočtu, na úrovni země ve vzdálenosti 3 km od bleskového výboje 9.4

Odvozené externí prostředí blesku

Tento článek specifikuje prostředí, ve kterém hrozí úder blesku, uvažované pro pozemní, námořní a leteckou techniku. Úrovně jsou odvozeny z výše uvedených parametrů přírodního blesku a prostředí odvozené z leteckých platforem se používá jako základ pro ostatní systémy.

38

ČOS 999935 2. vydání Část 254 Tato odvozená prostředí se nepoužívají přímo pro zkoušky a hodnocení, ale uvádějí se zde pro poskytnutí základních informací pro vnitřní prostředí, které se popisuje později. Tento postup je nutný z hlediska statistického charakteru parametrů blesku a v případech, kdy není možno reprodukovat skutečný blesk při zkoušce. Je tedy nutné zajistit definování důležitých parametrů blesku. Parametry blesků uvnitř a vně mraků platí pouze pro hrozby na leteckých platformách a zvláště pak pro tzv. „Prostředí násobných skupin impulzů“ (Multiple Burst Environment). Parametry jednotlivých impulzů a skupin impulzů způsobených výboji uvnitř (a někdy také vně) mraků, které mohou působit na letadlo mají typické hodnoty uvedené na obrázcích 11 a 12. 9.4.1

Parametry a prostředí bleskového výboje pro veškerou techniku

Idealizovaný průběh uvedený v tomto dokumentu představuje prostředí, které se použije pro účely analýzy a zkoušek. Nepředstavuje skutečný blesk, ale obsahuje nejdůležitější parametry, které mají vliv na vojenskou techniku. Nejdůležitější parametry výboje blesku jsou uvedeny v tabulce 7. Používají se, protože jsou vhodné pro nejpravděpodobnější mechanizmy poškození / provozních chyb. Protože záporné a kladné rázy mají velmi rozdílné charakteristiky a pravděpodobnosti výskytu v různých částech světa, je při kombinování jejich parametrů problém vytvoření skutečně nejhoršího případu. V tomto případě se pro veškerá prostředí používá poměr záporných a kladných úderů 9 : 1. Rozebírá se zde také percentuální úroveň, která se musí použít pro definování nejhoršího prostředí a jakým způsobem se musí kombinovat statistické údaje záporných a kladných výbojů. Eurocae [19] a Společenství výrobců automobilů (SAE) [20] ve svých normách, které se týkají prostředí blesku pro letadla, používají úrovně, které jsou uvedeny ve 3. sloupci tabulky 7. Ovšem z důvodů vyššího poměru kladných a záporných rázů v některých částech světa (konkrétně v severní Evropě a Velké Británii) a při započítání úrovně 2 % pro všechny takové blesky, jsou ve sloupci 4 uvedeny vyšší hodnoty, které jsou převzaty některými vojenskými orgány (např. [21]). Poznámka: V následujících částech dokumentu se úrovně pro civilní letectví bude používat termín „standardní“ úrovně a pro vyšší úrovně se bude používat termín „alternativní“ úrovně. Ačkoliv pro pozemní a námořní prostředí lze použít kterýkoliv soubor úrovní, standardní úrovně jsou založeny na vyšší hodnotě di/dt než byla naměřena na úrovni země. Alternativní úrovně jsou ale pro tyto průběhy odvozeny od vyšších hodnot akčních integrálů. TABULKA 7

Kombinace parametrů kladných a záporných výbojů pro rázy mezi mrakem a zemí

Parametry di/dt

Maximální rychlost změny proudu

max.

Vrcholový proud

ipk

Jednotky

Standardní úrovně

Alternativní úrovně

A/s

1,41011

1,41011*

kA

200


39


Kombinace parametrů kladných a záporných výbojů pro rázy mezi mrakem a zemí (dokončení) Jednotky

Standardní úrovně

Alternativní úrovně

A2s

2,25106**

3,75106

Nábojový obsah

 i dt  idt

C

200

300

Rychlost změny E pole

dE/dt

V/m/s

1012

1013

Parametry 2

Akční integrál

* 1,41011 se používá pro prostředí letecké platformy, tak jak byla naměřena při vnitřním/vnějším výboji do letadla. Pro pozemní a námořní aplikace se použije hodnota 11011. ** včetně příspěvku ze složek A a D. Pro pozemní prostředí se navíc požaduje definování blízkého rázu. 9.4.2

Prostředí letecké platformy

Výboje, které ovlivňují prostředky pro lety v ovzduší i kosmu, mohou mít charakter výbojů mezi mraky a zemí, mezi mraky nebo uvnitř mraků. Mohou se spustit přítomností těchto prostředků, zvláště v případě výbojů v mracích. Výboje uvnitř mraků nebo mezi mraky se vždy považovaly za patrně méně nepříznivé (kromě hodnoty di/dt) než výboje typu mrak-země. Pro definování úrovně hrozby úderu blesku do letadla byla tedy použita kombinace parametrů výbojů typu mrak-země a mrak-mrak. Vojenská technika se musí navrhnout tak, aby odolala parametrům zón přitažení blesku uvedeným v tabulce 8. Je nutno si uvědomit, že uvedené parametry tvoří nejhorší případ, jehož použití se očekává. Jedná se o aproximaci průběhu blesku a není možno je popsat (pro konkrétní zónu přitažení) exponenciálním průběhem druhého řádu. TABULKA 8 Zóna ipk přita(kA) žení

Parametry letecké platformy pro zóny přitažení blesku

di/dt max (A/s1011) Norm. Alter.

1A

1B

200

200

1,4

1,4

2

2

Akční integrál (A2s106) Norm.

2

2,25

Alter.

Přenos náboje Norm.

Poznámka

Alter.

3,5

Standardní i alternativní úroveň 20 C za 30 C za 0,41011 se použije 50 ms 50 ms v případě, když vazební apertura není relevantní

3,75

Alternativní úroveň 0,41011 se použije v případě, když vazební apertura není relevantní

200 C

300 C

(pokračování)

40

ČOS 999935 2. vydání Část 254 TABULKA 8 Zóna ipk přitažení (kA)

Parametry letecké platformy pro zóny přitažení blesku (dokončení) di/dt max

Akční integrál

(A/s1011)

(A2s106)

Norm. 1C

2A

2B

3

150

100

100

200

1,4

1,4

1,4

1,4

Alter.

Norm. Alter.

2

2

2

2

0,8

0,25

0,25

2,25

0,25

0,25

3,75

Přenos náboje Norm. 10 C

10 C

200 C

200 C

Poznámka

Alter. 30 C za 50 ms


30 C za 50 ms


300 C


300 C

Je nutné snížit úrovně parametrů podle místní geometrie s výjimkou výstupního bodu přitažení

* vazební apertura se definuje v odstavci 6 Poznámka: Rychlost změny E pole (dE/dt) 1013 V/m/s se musí použít pro prostředí letecké platformy. Definice zón přitažení blesku je provedena v odstavci 5.2. Navíc musí být veškerá technika platformy navržena tak, aby odolala prostředí násobných skupin impulzů, založených na průběhu opakovací složky H, která se definuje v tabulce 9 a na obrázku 11. Veškerá letecká technika musí být také navržena tak, aby odolala prostředí násobných skupin impulzů, které se definují na obrázku 12.

Jedna skupina je složena ze 20 impulzů

20 impulzů

OBRÁZEK 11 Průběh násobných skupin impulzů

41


Průběh složky H

Parametry

Charakteristiky

Vrcholový proud (každého impulzu)

10 kA

Vrcholová rychlost náběhu v čase t0

21011 A/s i = I0(et – et) kde I0 = 19 572 A

Matematické vyjádření (každého impulzu)

 = 187 191 s-1  = 19 105,100 s-1

Opakovací složka H

3 skupiny po 20 impulzech

Minimální doba mezi impulzy uvnitř skupiny

50 s

Maximální doba mezi impulzy uvnitř skupiny

1 000 s

Minimální perioda, se kterou se musí přenášet 3 skupiny impulzů mezi počátky skupin

30 ms

Maximální perioda, se kterou se musí přenášet 3 skupiny impulzů mezi počátky skupin

300 ms

1,5 s OBRÁZEK 12 Průběh násobné skupiny impulzů 9.4.3

Pozemní a námořní prostředí

Koncepce zón přitažení blesku, která se používá v případě letecké techniky, se nemůže stejným způsobem použít pro pozemní a námořní aplikace. Taková technika tedy bude mít bod přitažení (Zóna 1) a vodivou cestu (Zóna 3) mezi body přitažení nebo Zemí a v takovém případě se může princip zón přitažení použít. Všechny body přitažení pozemní a námořní techniky se tedy označují jako zóna 1B. Parametry použitelné pro zónu 1B a 3 pozemních a námořních prostředků a instalací jsou stejné, jako parametry, uvedené v tabulce 8.

42

ČOS 999935 2. vydání Část 254 V konkrétních geografických oblastech (např. v Severním moři), kde jak je známo je poměr záporných a kladných blesků menší než 9:1, je nutno přepočítat hodnoty za použití metody uvedené v [22]. Pozemní a námořní zařízení musí také odolávat prostředí s násobnými skupinami impuzů, které se definují na obrázku 12. 9.4.4

Konkrétní pozemní prostředí pro blízké údery

Minimální vzdálenost pro blízký úder blesku od techniky, aniž dojde k přímému přitažení k technice, bude záviset na topografii místa a techniky. Nejhorší případ je ten, kdy se předpokládá, že technika bude umístěná na rovné ploše. Minimální vzdálenost (R) od úderu blesku, aniž dojde k přímému přitažení, se může předpovědět metodou umístění úderu jako je např. „Valící se koule“ (Rolling Sphere). Prostředí způsobené úderem blesku do země ve vzdálenosti R se určí výrazem uvedeným v tabulce 10, kde R  10 m, di/dt = 1011 A/s a Ipk = 200 kA. TABULKA 10

Prostředí blízkého úderu blesku ve vzdálenosti R od úderu na rovné ploše

Parametry

Hodnota

Jednotka

Maximální (horizontální) magnetické pole

H

3,2104 / R

A/m

Rychlost změny magnetického pole

dH/dt

1,61010 / R

A/m/s

Maximální (vertikální) elektrické pole

E

3106 / (1 + R2 / 502)1/2

V/m

Rychlost změny elektrického pole

dE/dt

61012 / (1 + R2 / 502)1/2

V/m/s

9.5

Odvozené parametry a zkušební průběhy externího blesku

Vzhledem ke komplexní povaze různých typů bleskových výbojů a omezeným prostředkům laboratorního vybavení je nutno definovat hrubý obrys průběhu pro zkušební účely, který obsahuje všechny důležité vlastnosti záporného i kladného výboje vzhledem k zemi. Výše uvedená prostředí se tedy v mezinárodně schválených průbězích uvažují pouze schématicky a průběhy jsou uvedeny na obrázku 13 (průběh pro civilní letadla) a 14 (alternativní průběh). Průběhy odvozené pro vnitřní prostředí jsou popsány v odstavcích 9.6 a 9.7.

43


Proud (bez měřítka)

Složka A (Prvotní úder) Maximální amplituda 200 kA  10 % Akční integrál 2106 A2s  20 % Složka B (Střední proud) Maximální přenos náboje 10 C  20 % Střední amplituda 2 kA  10 %

Složka D (Zpětný úder) vrcholová amplituda 100 kA  10 % Akční integrál 025106 A2s  20 %

Složka C (Průběžný proud) Přenos náboje 200 C  20 % Amplituda 200 – 800 A

Čas (bez měřítka)

OBRÁZEK 13 Schématický průběh zkušebních proudových složek – Standardní

Proud (bez měřítka)

Složka A (Prvotní úder) Maximální amplituda 200 kA  10 % Akční integrál 3,5106 A2s  20 % Složka B (Střední proud) Maximální přenos náboje 10 C 20 % Střední amplituda 2 kA 10 % nemusí se uvažovat

Složka D (Zpětný úder) Maximální amplituda 100 kA  10 % Akční integrál 0,25106 A2s  20 %

Složka C (Průběžný proud) Přenos náboje 300 C  20 % Amplituda 600 A  10 %


OBRÁZEK 14 Schématický průběh zkušebních proudových složek  Alternativní 9.5.1

Průběhy pro zkoušky a analýzu odvozené z hrozby externího výboje

9.5.1.1 Zkušební průběhy pro přímý úder Složky zkušebního průběhu označené jako složka A, složka B, složka C a složka D jsou uvedeny na obrázcích 13 a 14 spolu s dodatečnými parametry/složkami uvedenými v tabulce 11. Je nutno poznamenat, že pokud se kombinuje složka C se složkou D, musí průběžný proud před započetím zpětného úderu poklesnout k nule.

44

ČOS 999935 2. vydání Část 254 Přidané zkušební proudové složky použitelné na část vyšetřované vojenské techniky podle průběhu bleskového výboje jsou uvedeny v tabulce 12. TABULKA 11 Složka

Parametry zkušebních proudových složek

Parametr

Hodnota

Tolerance

Poznámka Pro zónu 1 C použít

<10 μs

150 kA a 0,8106 A2 s.

Složka A Vysoký proud

Doba vrcholového proudu

Delší doba vrcholového proudu se musí použít pro poškození, které nezávisí na době náběhu. Při zkouškách materiálu CFC nebo podobného se musí použít pro složku A kvaziexponenciální průběh druhého řádu, i když pro kovové součástky se může použít sinusový průběh. Složka B má velmi malou důležitost a může se vynechat.

Složka B Střední proud Složka C Průběžný proud

Amplituda

 10 %

600 A  3,5 s*

Složka D Zpětný proud

Doba vrcholového proudu

(Přímý úder)

TABULKA 12

Použití

Zóna přitažení blesku

Vzdušné

1A

* Delší doba vrcholového proudu se nepožaduje pro zkoušky přímého úderu. Hodnota náběhu je významná pro zkoušky nepřímého úderu a také pro kombinované zkoušky přímého a nepřímého úderu.

V případě přírodního blesku může mít složka D di/dt hodnotu 1011 A/s (1,41011 pro letecké platformy)

Proudové složky použitelné pro zkušební zóny Proudová složka A

B

C

X

X

X (pozn. 1)

D

(pokračování) 45


Proudové složky použitelné pro zkušební zóny přitažení blesku (dokončení)

Použití

Zóna přitažení blesku

Proudová složka A

B

C

D

Vzdušné, pozemní a námořní

1B (pozn. 3)

X

X

X

X

Vzdušné

1C

X (pozn. 2)

Vzdušné

2A

X

X (pozn. 1)

X

Vzdušné

2B

X

X

X

Vzdušné, pozemní a námořní

3 (pozn. 3)

X

X

X

X (pozn. 1)

X

Poznámka 1: Experimenty byly zaměřeny na stanovení některých pravidel při rozmítaných úderech. I tak žádná metoda nedá jistotu pro předpověď pravděpodobné doby setrvání pro určitý soubor okolností. Je všeobecně dohodnuto, že zpětný úder se bude generovat v novém bodu přitažení a že střední interval mezi rázy je 50 ms. Tato hodnota se tedy akceptuje jako mezinárodní zkušební úroveň pro čas setrvání. Poznámka 2: Redukovaná složka A s hodnotami Ipk=150 kA, akční integrál = 0,8106 A2s. Poznámka 3: Také použitelné pro pozemní a námořní aplikace. 9.5.2

Průběhy pro bleskem indukované přechodové jevy a impulzní zkoušky

Pokud se vyhodnotí přechodové jevy indukované bleskem v celém systému, např. v celém letadle prostřednictvím analýzy, zkoušky nebo kombinací obou, je nutno definovat úroveň hrozby ve formě proudového impulzu, který má vhodné hodnoty těch parametrů, které jsou příslušné nepřímým vlivům v rozlehlých systémech. Jsou to vrcholový proud, maximální rychlost nárůstu proudu a akční integrál. Tyto parametry jsou důležité pro výrobky odolné proti vyrovnávacím proudům mezi částmi materiálu s nízkým a vysokým odporem, pokud jsou např. použity ve velké míře kompozitní materiály. V některých případech setrvávají tyto vyrovnávací proudy i po odeznění rušivých jevů. Průběhy pro tyto aplikace závisí na tom, zda se používají „standardní“ nebo „alternativní“ úrovně uvedené výše. Protože popis průběhů pro zkoušky obou směrů přímých a nepřímé vlivy je komplexní, jsou průběhy pro jednotlivé úrovně popsány samostatně v odstavcích 9.6 a 9.7. 9.5.3

Průběhy pro prostředí blízkého úderu blesku Průběhy pro prostředí blízkého úderu blesku musí být určeny orgánem státu.

9.5.4

Průběhy pro zkoušky zařízení

Průběhy pro vnitřní prostředí jsou uvedeny v odstavcích 9.6 a 9.7 jak pro standardní, tak pro alternativní úrovně.

46

ČOS 999935 2. vydání Část 254 9.6 9.6.1

Průběhy pro použití se standardními úrovněmi prostředí Zkušební průběhy pro externí, interní, přímé a nepřímé výboje

Úplný popis průběhů pro přímé a nepřímé údery blesku na základě „standardních“ parametrů je obsažen v [19] a [20]. Protože se jedná pouze o popis a parametry se mohou změnit, nejsou parametry v tomto dokumentu uvedeny. Státy, které budou používat tuto normu (certifikační úrovně pro civilní letectvo) se musí přesvědčit, že se jedná o poslední vydání. 9.7

Průběhy pro použití s alternativními úrovněmi prostředí

Protože alternativní průběhy blesku mají vyšší úrovně akčního integrálu a obsahu náboje než úrovně pro civilní letectví, mají úrovně odvozených průběhů pro zkoušky přímého a nepřímého úderu blesku rozdílné hodnoty. Tyto hodnoty jsou plně popsány v následujících odstavcích. 9.7.1

Zkušební průběh externího přímého úderu

Zkušební parametry průběhu hrozby externího přímého úderu, který představuje alternativní popis blesku na obrázku 14, jsou uvedeny v tabulce 13. TABULKA 13

Úroveň hrozby a průběhy

Prostředí

Parametr

Pozemní a námořní aplikace

Vrcholový proud

200 kA

50 kA

I0 (et – et)

Maximální rychlost náběhu

1011 A/s

2,51011 A/s

I0 = 214 980 A

Akční integrál

3,5106 A2s

0,22106 A2s

 = 472 500 s1

Obrázek 14 a tabulka 11

Teoretická Praktické hodnoty celková hodnota čtvrtiny amplitudy

Matematická reprezentace celkové hodnoty

 = 6 341 s1

Tvar průběhu A2s 9,3/125 s se setrváním 484 s pro 5 % vrcholové hodnoty Vzdušné vnější aplikace Obrázek 14 a tabulka 11

Vrcholový proud

200 kA

50 kA

I0 (et – et)

Maximální rychlost náběhu

1,41011 A/s

0,35.1011 A/s

I0 = 210 859 A

Akční integrál

3,5106 A2s

0,22106 A2s

 = 671 141 s1

 = 6 179 s1

Tvar průběhu A2s 7,1/121 s se setrváním 494 s pro 5 % vrcholové hodnoty

Poznámky:

Tolerance 10 % se musí použít pro všechny doby náběhu a vrcholové proudy a 20 % pro akční integrál. Pokud je to nutné, musí se použít pro zkoušky v pozemním i leteckém prostředí spolu s průběhem pro vnější letecké aplikace (protože průběh má rychlejší dobu náběhu). Zkouška s impulzem D/2 bude splněna s dobou náběhu pro zkoušku A2. Protože průběh H má vyšší kmitočtový obsah, je také nutno provádět zkoušky tímto průběhem pro vnější letecké vybavení (jak se definuje v odstavci 9.4 Tabulka 9).

47


Hodnota čtvrtiny amplitudy se stejným tvarem vzestupné a sestupné hrany se musí použít při zkouškách, kdy praktické důvody znemožňují použít celé hodnoty. 9.7.2

Průběh pro zkoušky dielektrického průrazu (efekt fázového vedení)

Průběh pro zkoušku dielektrického průrazu je impulz 200/2 000 s, který se superponuje na stejnosměrnou úroveň popsanou v následujících odstavcích. Napětí přerušeného obvodu (takové napětí, kdy mezi zkušebními elektrodami nedochází k přeskoku) vysokonapěťového generátoru se musí na vrcholovou hodnotu od času t0 zvýšit za 200 s (+10 %) a dále se musí snížit na polovinu vrcholové amplitudy za 2 000 s (+10 %) a na vrcholové stejnosměrné napětí vysokonapěťového generátoru se musí snížit za 500 ms +20 %.

Amplituda (kV)

Stejnosměrné napětí, na které se impulzní průběh superponuje, simuluje okolní elektrické pole, které se vyskytuje před tím, než je systém vystaven zkoušce. Je ovšem prokázáno, že přítomnost zkoušeného zařízení všeobecně neumožňuje vytvořit stálou stejnosměrnou úroveň a mechanizmus poškození není jednoznačný. Z tohoto důvodu je možno stejnosměrnou úroveň vynechat.

Čas (s) OBRÁZEK 15 Průběhy A2s a A2a – impulzní zkoušky a analýza (vykresleno pouze do času 50 s) 9.7.3

Zkoušky interního prostředí a průběhy pro zkoušky susceptibility zařízení

Externí prostředí popsaná v předchozích odstavcích dávají návod pro definování interních prostředí, kde se přechodové signály indukují do kabeláže vnitřního vybavení. Tato interní prostředí závisí na dopravním prostředku a je tedy obtížné definovat generické prostředí pro všechny třídy techniky. Prostředí popsané dále je určeno pro letadla. Vazební mechanizmus mezi externím a interním prostředím je závislý na konkrétní technice a stanovuje charakteristické přechodové průběhy pro letecké prostředí uvedené dále. 9.7.3.1 Původ a tvar indukovaných průběhů V elektrických vodičích techniky zasažené bleskem, nebo techniky, která se nachází v blízkosti úderu blesku, se indukují přechodová napětí a proudy, které mohou způsobit poruchy činnosti nebo permanentní poškození nedostatečně odolného zařízení. Zkoušky zařízení přechodovými jevy vyžadují různé napěťové a proudové průběhy, které se musí zvolit tak, aby pokryly všechny možné vazební režimy. Účelem těchto zkoušek je určit, zda zařízení může

48

ČOS 999935 2. vydání Část 254 odolávat dané zkušební úrovni přechodových jevů (reprezentativním průběhům) bez poškození nebo funkčních chyb. Úrovně, které jsou uvedeny v tabulce 14, jsou určeny pro zkoušené kabelové svazky zařízení/podsystémů. TABULKA 14 Průběh

Čtyři standardní průběhy pro zkoušky zařízení Charakteristika

Matematická interpretace i = (et – et)

Střední impulz (IP) Obrázek 16

6,4/70 s

Používá se pro dobře chráněné kovové konstrukce.  = 11 354 s1  = 64 7265 s1

Krátký impulz (SP) Obrázek 17

Odvozuje se z i pro IP = 1,09405IP (et – et) což dává okamžitou 100 ns náběh, 6,4 s protnutí vzestupnou hranu v čase nula, nulové úrovně pro praktické účely se však používá vzestupná hrana 100 ns  viz obrázek 17. i = KIp(et – et)

Dlouhý impulz (LP) Obrázek 18

50/500 a 40/120 s

Průběh 50/500 je určen pro málo chráněné kompozitní konstrukce.  = 1 585 s1  = 80 022 s1

Průběh 50/500 je určen pro hliníkové konstrukce.  = 12 400 s1  = 45 000 s1 K = 2,25

K = 1,104 I0eft/Q sin(2ft) I0 je prvotní amplituda (t = 0) obálky oscilací. Tlumená sinusovka (DS) Obrázek 19

Podrobnosti viz obrázek 19

Q je Q činitel = /r kde r je logaritmický pokles mezi 0,462 a 0,0959. Poznámka: Poměr postupných vrcholů stejného znaménka je e/Q.

49

ČOS 999935 2. vydání Část 254 Poznámka:

Instalační kategorie zařízení a zkušební úrovně pro IP, SP a LP jsou uvedeny v odstavci 9.7.3.2. 9.7.3.2 Použití průběhů Pokud se zamýšlí ohodnotit jednotlivá zařízení, což je případ vnějšího leteckého prostředí, je třeba sestavit vhodný zkušební plán včetně průběhů a zkušebních úrovní. Pro vnější letecké prostředí se používají průběhy DS a SP a dále IP nebo LP. (Vhodný LP průběh se použije pro zařízení nebo kabeláž, které jsou umístěny v kompozitní konstrukci nebo v blízkosti hliníkové konstrukce s významnou indukčností/odporem. Může se také použít v případě, kdy nestíněné upevňovací pásky procházejí skrz nebo uvnitř kovových žlabů nebo kanálů nebo mají instalované stínící opletení. Průběh IP se také používá v případě, kdy kabely procházejí v blízkosti dobře stíněných kovových konstrukcí, takže mohou být nositeli proudů blesku). Zkušební úrovně vhodné pro tyto průběhy při použití v externím leteckém prostředí jsou uvedeny v odstavcích 9.7.3.4 až 9.7.3.8. Průběhy a úrovně pro ostatní techniku se musí odsouhlasit státním orgánem. 9.7.3.3 Pozemní a námořní zařízení Zkušební úrovně pro pozemní a námořní bojová zařízení nejsou v tomto dokumentu uvedeny a musí se konzultovat se státním orgánem. V případech, kdy se ukáže, že je vhodné použít průběhy pro leteckou techniku, je možno použít úrovně těchto průběhů. 9.7.3.4 Externí letecká zařízení Zkušební úrovně pro zařízení průběhů IP, SP a LP se získají z impulzních zkoušek techniky jako vypočtené přechodové úrovně (CTL), jak je uvedeno v ČO 051627, kategorie 508, část 4 [23]. Pokud nebyly provedeny ani zkoušky ani modelování, jsou úrovně pro leteckou bojovou techniku uvedeny v následujících odstavcích. 9.7.3.5 Instalační kategorie zařízení pro IP, SP a LP průběhy Pokud nejsou známé úrovně CTL, volí se maximální zkušební úrovně podle instalačních kategorií A – D (elektromagnetické prostředí zařízení) a E (důležitost zařízení). a)

CAT A. Zařízení a kabeláž jsou instalované v chráněném elektromagnetickém prostředí, jako jsou úplně uzavřené prostory z kovového materiálu.

b) CAT B. Zařízení a kabeláž jsou instalované v částečně krytém prostředí, jako jsou dielektrické kryty v rozlehlé kovové konstrukci. c)

CAT C. Zařízení a kabeláž patří ke stejné části materiálové konstrukce, která je vystavena elektromagnetickému prostředí a kdy velké části konstrukce jsou vyrobeny ze špatně vodivého materiálu nebo kompozitního (CFC) materiálu.

d) CAT D. Zařízení a kabeláž jsou umístěny v různých částech struktury materiálu, která je vystavena elektromagnetickému prostředí a kdy velké části konstrukce jsou vyrobeny ze špatně vodivého materiálu nebo kompozitního (CFC) materiálu. e)

CAT E. Zařízení, které je ohodnoceno jako zařízení, na které přechodové jevy způsobené úderem blesku do země nemají vliv, nebo u kterého funkční chyby nebo poškození nemají vliv na bezpečnost nebo na úspěch operace.

Pokud je možno zařízení nebo kabeláž zařadit do více než jedné výše uvedené kategorie, musí se použít zkušební úrovně pro nejhorší prostředí.

50

ČOS 999935 2. vydání Část 254 Zkušební úrovně vhodné pro zkušební kategorie s tolerancí 10 % jsou definovány v tabulce 15. TABULKA 15

Zkušební úrovně pro instalační kategorie zařízení Průběh (napětí/proud V/A  10 %

Kategorie

SP (krátký)

IP (střední)

IP (střední)

LP (dlouhý)

V/I

jako proud V/I

jako napětí V/I

V/I

A

125/250

125/250

N/A

N/A

B

300/600

300/600

2 000/1 000

2 000/1 000

C

750/1 500

750/1 500

2 000/3 000

2 000/3 000

D

1 600/3 200

1 600/3 200

2 000/10 000

2 000/10 000

E

N/A

N/A

N/A

N/A

9.7.3.6 Úrovně a kmitočty průběhu DS pro použití v externím leteckém prostředí 9.7.3.6.1 Volba kmitočtů zkoušek přechodových jevů V průběhu zkoušek které používají metodu injektáže, se musí používat přechodové impulzy s následujícími kmitočty. a)

Nejcitlivější kmitočty v rozsahu 2 MHz až 50 MHz, nalezené předtím při EMC zkouškách injektáže průběžných signálů (CW) do kabelových svazků.

b) Kmitočty, při kterých je impedance kabelu minimální a maximální. c)

V kmitočtovém rozsahu 2 MHz až 50 MHz nejméně 50 kmitočtů, které ve vnitřních obvodech zkoušeného zařízení (EUT) vyvolají nějaké rezonance, takže aktivní nebo pasivní zařízení je vystaveno nebezpečí maximálních napětí nebo proudů. Tyto kmitočty se musí rozmístit v logaritmickém měřítku. Vhodné kmitočty pro injektáž je možno získat z následujícího vztahu: Zkušební kmitočet (MHz) = 10(0,3 + 0,028k)

kde k = 0, 1, 2, 3 až 50 pro 50 kmitočtů. 9.7.3.7 Zkušební meze Pokud nejsou úrovně CTL známé, musí se použít mezní hodnoty z obrázku 20 a explicitně zmíněné následující hodnoty: a)

proudová mez 30 A v pásmu 2 až 30 MHz, která se snižuje na 15 A při 50 MHz,

b) napěťová mez 3 kV v pásmu 2 až 30 MHz, která se snižuje na 1,5 kV při 50 MHz, c)

mez kVA v pásmu 2 až 30 MHz, která se snižuje na 7,7 kVA při 50 MHz.

Poznámka: Výše uvedené mezní hodnoty není možno používat společně. Maximální zkušební úroveň je nastavena tehdy, kdy je dosažena některá výše uvedená mezní hodnota.

51

ČOS 999935 2. vydání Část 254 9.7.4

Zkušební průběh a úrovně násobné skupiny impulzů a násobných rázů

Pokud je nutno použít zkoušku násobnými skupinami impulzů, nebo násobnými rázy, musí se úrovně impulzů nastavit podle obrázků 11 a 12 a použít injektáž proudu do kabelových vodičů. Hodnoty proudové injektáže se musí vypočítat/určit na základě relativní polohy v kabelové struktuře, která může vést proud. 9.7.5

Zkušební průběhy pro nepřímo indukované napětí a zkoušky přerušené izolace

Často je vhodné vyhodnotit vliv napětí indukovaného při úderu blesku v jednotlivých podsystémech nebo součástkách, jako jsou antény nebo externí snímače, které jsou konkrétně náchylné k přerušení izolace nebo zničení napěťovým rázem. Takové zkoušky je možno provádět odděleně nebo spolu s impulzními zkouškami popsanými výše. Při zkouškách průchodu otvory nebo vazbou je důležitým parametrem di/dt; tyto zkoušky se musí provádět za použití průběhu D2, který je definován v tabulce 16. TABULKA 16 Prostředí

Úroveň a průběh D2 Průběh

Matematická interpretace I0 (et – et)

Pozemní aplikace D2s

Obrázek 21

I0 = 113 235 A  = 27 702 s1  = 906 820 s1 I0 (et – et)

Externí letecké aplikace D2a

Obrázek 21

I0 = 109 405 A  = 22 708 s-1  = 1 294 530 s-1

52

ČOS 999935 2. vydání Část 254 Vrcholový proud nebo napětí (%)

T1 = 6,4 s  20 % T2 = 70 s  20 %

Čas (bez měřítka) OBRÁZEK 16 Průběh středního impulzu (IP), který simuluje odporovou vazbu Vrcholový proud nebo napětí (%)

T1 = 100 ns max. T2 = 6,4 s  20 %

Čas (Bez měřítka)

Podkmit musí být menší než 20 % vrcholové hodnoty OBRÁZEK 17 Průběh krátkého impulzu (SP), který simuluje vazbu otvorem

53

ČOS 999935 2. vydání Část 254 Vrcholový proud nebo napětí (%)

Hliníková struktura LP-B T1 = 40 s  20 % T2 = 120 s  20 % Málo chráněná kompozitní struktura LP-B T1 = 50 s  20 % T2 = 500 s  20 %


OBRÁZEK 18 Průběh dlouhého impulzu (LP), který simuluje vazbu difůzí/přerozdělením Amplituda napětí Amplituda osmé poloviny cyklu musí být nejméně 25 % ale ne více než 75 % druhé poloviny cyklu při injektáži do obvodu s impedancí 100 

Čas

8. polovina cyklu Rezonanční kmitočet musí být laditelný v kmitočtovém pásmu 2 až 50 MHz

2. polovina cyklu OBRÁZEK 19 Zkušební průběh tlumené sinusovky (DS)

54

Indukovaný proud (A)


Kmitočet (MHz) Napěťová mez: 3 kV, 2  30 MHz snižuje se na 1,5 kV při 50 MHz MVA mez: 30 kVA, 2  30 MHz snižuje se na 7,5 kVA při 50 MHz

Amplituda (kA)

OBRÁZEK 20 Zkušební meze proudu, napětí a kVA

Čas (s) OBRÁZEK 21 Průběhy D2s a D2a – zkoušky nepřímých vlivů 9.8 [16]

Literatura k části 254 ČOS 999935, Část 253:

(Elektrostatický

náboj,

výboj

a

atmosférickými srážkami (P-Static). [17]

Lightning Vol 1: Edited by RH Golde. Academic Press (Blesk, díl 1).

55

poruchy

způsobené

ČOS 999935 2. vydání Část 254 [18]

EUROCAE ED 84: Aircraft Lightning Environments and Related Test Waveforms (Prostředí blesku pro letadla a odpovídající zkušební průběhy).

[19]

EUROCAE ED105: Aircraft Lightning Test Methods (Zkušební metody prostředí blesku pro letadla).

[20]

SAE ARP 5416: Aircraft Lightning Test Methods (Zkušební metody prostředí blesku pro letadla).

[21]

UK Def Stan 59-113: Lightning Strike Protection Requirements for Service Aircraft (Požadavky ochrany proti úderu blesku pro služební letadla).

[22]

The selection of parameter values of negative and positive lightning for combination in the composite test waveform. RH Evans & GAM Odam. International Aerospace & Ground Conference on Lightning and Static Electricity, Williamsburg, 1995 (Výběr hodnot parametrů záporného a kladného výboje blesku pro kombinaci složených zkušebních průběhů).

[23]

ČOS 051627, kategorie 508, část 4: Zkoušky vlivu elektrického a elektromagnetického prostředí – Část 4: Zkoušky vlivu blesku na munici.

56


10

Část 255  Stejnosměrná (DC) a nízkofrekvenční (LF) magnetická pole

10.1 Cíl Cílem této části je definovat stejnosměrná (DC) a nízkofrekvenční (LF) magnetická pole, která se vyskytují v pracovním elektromagnetickém prostředí paluby plavidla. Tato prostředí se mohou použít pro definování konstrukčních a zkušebních požadavků pro palubní systémy a zařízení plavidel. Jsou definována rovněž LF pole, která se mají použít pro konstrukční a zkušební požadavky systémů a zařízení jak letadel, tak pozemní systémy a pozemní zařízení. 10.2 Použitelnost Tato část se týká přednostně vývoje konstrukčních a zkušebních požadavků pro palubní zařízení a systémy plavidel. Toto je způsobeno přítomností systémů pro odmagnetování lodě typu degaussing a použitím odmagnetování lodě typů deperming a flashing, což znamená, že na lodě a ponorky působí velmi silná stejnosměrná (DC) magnetická pole. Stejnosměrná pole pro pozemní vozidla a letadla se nedefinují, protože v tomto případě nejsou významná a v minulosti nepředstavovala žádný problém. LF magnetická pole se definují pro všechny platformy. Poznámka: Termín plavidlo v této části zahrnuje lodě určené k plavbě na hladině a ponorky. 10.3 DC a LF magnetická pole 10.3.1 Úvod Tato část popisuje jev stejnosměrných (DC) magnetických polí a všech nízkofrekvenčních polí, která jsou důsledkem elektrických proudů v napájecích nebo jiných elektrických vodičích. Tento jev může způsobovat rušení elektronických zařízení, která při své činnosti používají magnetické pole, jako jsou monitory s katodovými trubicemi (CRT) nebo gyroskopy. 10.3.2 Stejnosměrná (DC) magnetická pole na palubách plavidel Stejnosměrná magnetická pole lodí jsou způsobována především lodními odmagnetovacími systémy a jsou součtem magnetických siločar existujících uvnitř nebo vně lodi. Tato pole nejsou uniformní a mění se v závislosti na místě a čase. Pokud má pole dostatečnou velikost v každém daném případě, může mít degradující vliv na provoz zařízení umístěných uvnitř nebo na povrchu lodě. Pokud by stanovení vhodnosti zařízení bylo učiněno na základě očekávání jiného než obecného prostředí, byly by potřebné podrobné znalosti o přesném místě instalace, jakož i předpověď budoucích změn. Palubní zařízení se musí navrhnout a vyrobit tak, aby nebylo nepříznivě ovlivňováno v „nejhorších případech“, které se mohou běžně očekávat. DC pole se také vytváří v případech, kdy loď absolvuje magnetickou úpravu včetně procesu odmagnetování typu deperming a flashing. 10.3.2.1 Odmagnetovací kabely Magnetické pole není v celé lodi uniformní, ale při běžném provozu závisí na blízkosti odmagnetovacích kabelů. Tyto se vyskytují přibližně v 75 % místností umístěných mezi kýlem a hlavní palubou. V průběhu odmagnetování typu deperming se mohou tato pole očekávat po celé lodi.

57

ČOS 999935 2. vydání Část 255 10.3.2.2 Konstrukční přerušení Přepážky, nebo jiné členy konstrukce (včetně zařízení) se mohou stát návratovou cestou pro magnetický tok a výsledkem je místní koncentrace magnetického pole. Přerušení (štěrbiny otvory atd.) v návratové cestě mohou významně zvýšit místní hodnoty pole. Pro zařízení, která jsou instalována v blízkosti takových přerušení to může znamenat zhoršení činnosti vlivem zvýšených úrovní magnetického pole. 10.3.2.3 Předpokládané umístění Jak již bylo uvedeno, není magnetické pole v lodi uniformní. Při umisťování zařízení na lodi je nutno brát v úvahu různou intenzitu pole. Ve vzdálenosti 0,3 m od odmagnetovacích kabelů se mohou vyskytnout hodnoty pole překračující úrovně uvedené dále. Naopak je možno očekávat, že pokud bude zařízení umístěno ve vzdálenosti nejméně 3 metry od odmagnetovacích kabelů, je možno očekávat hodnoty menší než ty, které jsou uvedeny v odstavci 10.3.4. Navzdory umístění musí zařízení splňovat podrobné požadavky zkušebních metod ČOS 051627, Kategorie 501, zkušební metoda NRS04. 10.3.2.4 Konstrukční stínění Kovové paluby a přepážky mezi odmagnetovacími kabely nebo dalšími zdroji magnetického pole a zařízením mohou působit jako určité stínění a snižovat úroveň magnetického pole, která by se v tomto místě za jiných okolností vyskytovala. Avšak využití této výhody stínícího účinku vyžaduje znalost o přesném umístění odmagnetovacích kabelů nebo jiných zdrojů pole ve vztahu k umístění zařízení, a vyžaduje plnou kontrolu nad změnami umístění. Tento stínicí účinek nesmí snižovat požadavky na zařízení uvedené v této části. I když v případě, že není možno z technického hlediska požadavky této části splnit, může se konstrukční stínění brát v úvahu. 10.3.3 LF magnetická pole 10.3.3.1 Kmitočet magnetického pole Magnetická pole na různých platformách jsou obecně způsobena vyrovnávacími poli z vodičů, kterými protéká vysoký proud. Pole jsou tedy významná na kmitočtech napájecích zdrojů, jejich harmonických složkách a nízkých kmitočtech přibližně do 100 kHz. 10.3.3.2 Místní magnetická pole Místní magnetická pole se generují různými zdroji, jako jsou: a)

Elektrické napájecí kabely.

b) Generátory. c)

Motory.

d) Svařovací obvody. e)

Rozvaděče elektrického napájení a řídicí zařízení.

f)

Transformátory.

Umístění zařízení v blízkosti těchto zdrojů se musí důkladně zvážit. 10.3.3.3 Napájecí vodiče lodí s elektrickým pohonem Lodě s elektrickým pohonem nepoužívají pro pohon lodě nebo start letadel parní nebo jiný mechanický systém. Tyto lodě vykazují ve svých napájecích vodičích velmi vysoké elektrické proudy a mají potenciálně velmi vysoké úrovně harmonických/spínacích kmitočtů. 58


Mezní úroveň (dBpT)

Tyto proudy mohou v blízkosti napájecích vodičů a připojených zařízení produkovat významná magnetická pole, ale záleží také na návrhu buzení, zatěžovacího systému a typu použitých kabelů. Očekává se, že pole uvedena na obrázku 22 se hodí pro většinu situací, ale v případě, že se napájecí kabely nacházejí v blízkosti citlivých zařízení, se mohou vyskytovat i vyšší hodnoty.

10 Hz

100 Hz

1 kHz

10 kHz

100 kHz

Kmitočet OBRÁZEK 22 LF pole v podpalubí lodí a v leteckých aplikacích 10.3.4 Prostředí 10.3.4.1 DC magnetická pole lodí Očekávaná stejnosměrná magnetická pole lodí pro zařízení pracující v podpalubí (jinde než na otevřené palubě) v Severoatlantické alianci (NATO) jsou uvedena v tabulce 17. Maximální očekávaná intenzita stacionárních polí lodí je 1 600 A/m. Maximální rychlost změny je 1 600 A/m/s. Ani orientace ani směr magnetických polí se neuvažují. Samostatné hodnoty polí, která se vytvářejí při procesu odmagnetování typu degaussing, deperming a flashing jsou k dispozici, takže u lodí, kde se odmagnetování typu deperming neprovádí nebo tam, kde se předtím veškeré zařízení odstraňuje, je možno tyto hodnoty připustit. TABULKA 17

Typická stejnosměrná magnetická pole lodí Parametry

Typ odmagnetování

Statické magnetické pole (A/m)

Změna magnetického pole (A/m)

Degaussing

1 600

1 600/s

Deperming

1 600

1 600/s

Flashing

1 600

1 600/s

10.3.4.2 LF magnetická pole Obrázek 22 ukazuje očekávaná LF pole pro lodní zařízení, která umístěna v podpalubí a pro zařízení na všech leteckých platformách v rámci NATO.

59

jsou


Mezní úroveň (dBpT)

Obrázek 23 ukazuje očekávaná LF pole pro pozemní systémy a zařízení.

10 Hz

100 Hz

1 kHz

10 kHz

100 kHz

Kmitočet OBRÁZEK 23 LF pole pro pozemní systémy a zařízení

60


11

Část 256  Jaderný elektromagnetický impulz

11.1 Úvod Jaderný elektromagnetický impulz (NEMP nebo také EMP) je termín, běžně užívaný pro elektromagnetické signály, které jsou důsledkem jaderného výbuchu. Účelem této části je popsat jednoduchým způsobem vznik NEMP/EMP impulzu, jeho základní charakteristiky a metody, kterými tyto signály pronikají na platformy a do systémů. Zde uváděný popis je neutajovaný, i když se uvádějí odkazy na utajované dokumenty. Pro další popis vyzařovaného prostředí EMP v neutajované podobě je možno použít dokument IEC 61000-2-9 [24]. Neutajovaný popis prostředí EMP vedených emisí je uveden v dokumentu 61000-2-10 [25]. 11.2 Použití EMP může způsobit krátkodobou, ale i dlouhodobou nevolnost a je schopen způsobit dočasné nebo dlouhodobé chyby moderních elektronických a elektrických systémů ve všech geografických oblastech světa. Ovlivněna mohou být stacionární zařízení, mobilní pozemní zařízení, letadla, družice, naváděcí systémy řízených střel a námořní zařízení a je tedy nutné tato zařízení pro bezporuchový provoz v nebezpečném elektromagnetickém prostředí upravit. Protože charakter, nadmořská výška výbuchu, místo a vzdálenost zařízení od centra výbuchu má vliv na intenzitu a tvar signálu, je vhodné rozlišovat EMP ve velké výšce (HEMP), EMP zdrojové oblasti SREMP a EMP generovaný systémem SGEMP. Utajované definice HEMP a SREMP jsou uvedeny v dokumentu STANAG 4145 [26]. Obě kritéria jsou výsledkem elektromagnetického pole vznikajícího v důsledku produktů výbuchu (rentgenové, gama a neutronové záření), které působí jednak na horní vrstvy atmosféry Země (HEMP) a jednak na Zemi a na její dolní vrstvy atmosféry (SREMP). Na druhé straně SGEMP se neobjeví, dokud není přítomno zařízení. Jedná se o vazební signál, který je důsledkem produktů výbuchu, které ovlivňují přímo toto zařízení. Protože signály SGEMP silně závisí na topologii zařízení, nejsou v Organizaci Severoatlantické smlouvy (NATO) žádná napěťová a proudová kritéria SGEMP specifikována. Na základě dostupných informací musí tyto hodnoty pro svá zařízení, letadla, lodě, družice nebo vozidla definovat příslušný stát. Typicky je možno pro zařízení, která se vyskytují v blízkosti povrchu Země, vypočítat SGEMP pro výchozí vyzařované úrovně (INR) z dokumentu [26]. Pokud je zařízení umístěno na orbitální dráze, je možno SGEMP pro INR úrovně určit z dokumentu AEP-50 [27]. 11.3 Prostředí Zde se uvádí obecný neutajovaný popis HEMP, SREMP a SGEMP, včetně původu a charakteristik. 11.3.1 Původ EMP Nejprve je třeba definovat co se děje v centru výbuchu. Kinetická energie se vykytuje ve formě chemické (tj. mohutná exploze) a jaderné. Velkou část této energie nesou subatomární částice (neutrony) a forma elektromagnetické energie (rentgenové a gama záření). Jaderné částice se velkou rychlostí pohybují radiálně od centra výbuchu a působí na okolní látky, jako je zemská atmosféra, Země samotná nebo konkrétní zařízení. Působení je vzájemné, a pokud se odehrává v atmosféře, vytvářejí se volné náboje a kladně nabité ionty, které se označují jako zdrojová oblast. Pokud se vzájemné ovlivňování vyskytuje na Zemi nebo v zařízení, dochází

61

ČOS 999935 2. vydání Část 256 k tvorbě proudů a napětí. EMP je tedy generický termín, který označuje výsledné elektromagnetické pole způsobené zpomalováním elektronů (označované jako Comptonovy elektrony) geomagnetickým polem Země (v případě HEMP) nebo rozdílnými rekombinačními procesy elektronů v elektromagnetických polích (HEMP, SREMP a SGEMP). 11.3.2 HEMP V případě HEMP dojde nejprve k interakci mezi paprsky gama (viz obrázek 24) a horními vrstvami atmosféry Země ve zdrojové oblasti přibližně ve výšce 20  40 km nad Zemí. Vytvořené Comptonovy elektrony se pohybují přímočaře, dokud „nenarazí“ na siločáry geomagnetického pole (nejsou zakresleny) a pak pokračují v jejich směru, dokud nedojde k jejich rekombinaci v atmosféře. Během této doby vytvářejí elektrony soufázový elektromagnetický impulz. Při sledování ze Země (podél tangenciálního poloměru Rt) se jedná o jednoduše vyzařované pole které je možno popsat intenzitou elektrického pole ve V/m.

Výška výbuchu (HOB) Oblast interakce gama/vzduch

R1 (km)

Země

HOB (km)

OBRÁZEK 24 Obecný popis HEMP a pokrytí Země 11.3.3 SREMP Pokud se ohnivá koule jaderného výbuchu dotkne Země, pak signál mimo tuto ohnivou kouli vytváří zdrojovou oblast a označuje se jako SREMP. V takovém případě nemá elektrické a magnetické pole stejný průběh a je tedy nutno identifikovat intenzitu elektrického pole v jednotkách V/m a intenzitu magnetického pole v jednotkách A/m. Obrázek 25 ilustruje původ počátečních (vertikální elektrické pole) složek SREMP z pozemního výbuchu. Ukazuje volné elektrony detonací vytržené ze vzduchových molekul, které se pohybují radiálně od zemského povrchu a vytvářejí zdrojovou oblast ve tvaru polokoule, která je silně vodivá. V této oblasti směřuje tok elektronů vertikálně nahoru od pozemního výbuchu (všechny ostatní příspěvky jsou nevýznamné). Tento proud elektronů vytváří vertikálně polarizované elektrické pole vzhledem k Zemi. Jak se vzdálenost od Země prodlužuje, dráha elektronů se zakřivuje a elektrony se vrací k Zemi. Nakonec volné elektrony, které zůstaly ve

62

ČOS 999935 2. vydání Část 256 vzduchu, rekombinují s kladnými molekulami vzduchu a impedance vzduchu se vrátí na obvyklou hodnotu (která je pro volný prostor 377 ). Dominantní pole v tomto rozsahu se redukuje na malou amplitudu vyzařovanou ve vzdáleném poli. Elektromagnetické signály jsou charakteristické počátečním elektrickým a magnetickým polem s velmi rychlými náběhy, vysokou vrcholovou hodnotou amplitudy a významnou úrovní energie.

Výsledný tok proudové hustoty

OBRÁZEK 25 Počátek dominantního vertikálního elektrického pole SREMP Oblast, ve které může dojít k největšímu poškození, se může v případě SREMP pohybovat 3 až 8 km od Země. V této oblasti může také vlivem detonace a mechanického rázu dojít k vážnému poškození konstrukcí obsahujících elektrická zařízení. 11.3.4 SGEMP SGEMP je jiný než SREMP. Jedná se o impulz způsobený vzájemným působením rentgenového, gama a neutronového záření a konkrétního systému, kdy dojde k vybuzení a uvolnění elektronů. Náboj elektronů tvořících proud se promění v tok povrchem systému a vytváří tak EMP. Pokud je zařízení v blízkosti výbuchu, je přímá interakce se systémem velmi významná. Interakce zařízení, které je umístěno na Zemi, neutronové a gama záření vytvoří SGEMP, jehož vliv se zvyšuje s rozměry zařízení. V tomto případě se rentgenové záření neuplatňuje, protože se v blízkosti detonace absorbuje v okolní atmosféře a přispívá k radiálně se šířícímu teplotnímu a tlakovému impulzu. Příspěvek rentgenového záření je významný pouze ve vnější atmosféře, kde se rentgenové záření vzájemně ovlivňuje přímo se zařízením umístěným ve volném prostoru (obvykle s družicemi) a kde dochází k SGEMP. Původně byl SGEMP pro družice označován jako interní EMP (IEMP). 11.3.5 Charakteristiky EMP Předpokládejme následující matematické vyjádření celkového elektrického pole: Etotal = Efar + Enear = A/r + B/r2 + C/r3 +…… kde A, B, C, jsou konstanty. Vzdálené pole Efar představuje složka, která klesá se směrnicí 1/r, kde r je vzdálenost mezi zdrojem a pozorovatelem. Pokud k výbuchu dojde v horních vrstvách atmosféry, odpovídá tento termín složce elektrického pole HEMP pozorovaného ze Země (Enear je bezvýznamné). Pokud k výbuchu dojde v blízkosti Země je hodnota Efar velmi malá a typicky se ignoruje. Blízké pole Enear (složka elektrického pole SREMP) představuje složka, která klesá se směrnicí 1/r2 nebo rychleji a může tedy být významná. Matematicky to znamená, že SREMP je mnohem více lokální a v okolí zdroje má mnohem silnější účinky než HEMP.

63

ČOS 999935 2. vydání Část 256 Obrázek 26 identifikuje primární vliv HEMP jako okamžité záření gama (E1), následované pomalejšími neutrony a interakcí sekundárního záření gama (E2). Magnetohydrodynamický signál (MHD) formuje konečnou složku (E3). Toto je signál, který se tvoří stlačením geomagnetického pole a horizontální složkou pohybu. Na obrázku 26 představují úseky E1, E2 a E3 charakteristiky elektrického pole HEMP v krátkém, středním a dlouhém čase: Efar = EHEMP = A/r = E + E2 + E3 Krátký čas

Střední čas

Dlouhý čas

Rychlý gama signál Rozptýlený gama signál Neutronový gama signál

MHD signál

Čas (s)

OBRÁZEK 26 Základní příspěvek počátku HEMP E1 se virtuálně váže ke všem zařízením. Typická doba náběhu je několik nanosekund, vrcholová hodnota amplitudy je několik desítek kV/m a šířka impulzu v polovině maximální hodnoty je několik desítek nanosekund. E2 a E3 na druhé straně působí významně pouze v případě velmi dlouhých vodičů (např. distribuční vedení) z důvodu dlouhého trvání (E3 několik minut) a nízké amplitudy (pro E2 a E3 několik jednotek V/km). Základní pravidlo je to, že u systémů a platforem, které jsou kratší než 1 km, je nutno počítat pouze se složkou E1. U delších pak je nutno počítat se všemi třemi složkami. Mnohem podrobnější popis tvaru průběhu E1, E2 a E3 je uveden v neutajovaném dokumentu MIL-STD-464 [28]. Z technického hlediska se může Efar (HEMP) a Enear (SREMP) v okolí detonace přirovnat k signálům v okolí vyzařovací antény: signály v blízkosti antény představují blízké pole, charakterizované extrémně vysokou amplitudou úrovně pole blízko antény, která se snižuje rychleji než 1/r, kde r je vzdálenost mezi anténou a zařízením. Takové komplexní pole je možno nalézt v okolí výbuchu a označuje se SREMP, nebo také EMP v malé výšce (je třeba nezaměňovat s EMP blesku (LEMP)). Zatímco rozsah je menší než HEMP, který označuje výbuch ve velké výšce, SREMP dominuje nad vlivem tlakového a teplotního účinku. Má extrémně vysokou amplitudu (vyšší než HEMP) s prstencem okolo místa výbuchu, eventuálně klesá k nízké amplitudě vyzařovaného pole, než přejde na pokles se směrnicí 1/r. (obrázek 27).

64


2

10  S/m

5

10  S/m

Ohnivá koule Zdrojová oblast kde je SREMP dominantní Bez měřítka

OBRÁZEK 27 Relativní oblast v okolí centra výbuchu, kde je dominantní SREMP Krátký čas (E1), HEMP nebo neutajované prostředí volného pole EMP je zobrazeno na obrázku 28. 11.3.6 Předpoklady zkoušky

Intenzita pole (kV/m)

Protože Efar (HEMP) je ekvivalentní vzdálenému poli v okolí vyzařovací antény, používá se často při zkouškách HEMP vyzařovací nebo ohraničený vlnový simulátor pro vyzařování jednoho nebo více vertikálně a horizontálně polarizovaných polí (všimněte si, že použití pouze vertikálního simulátoru není v některých případech dostačující). Pokud je zkoušený systém dostatečně jednoduchý pro identifikaci všech vazebních cest, kterými se může elektromagnetická energie dostat do zařízení, může se použít pro přivedení vypočtených zkušebních signálů do zařízení technika proudové injektáže. V časové oblasti je HEMP charakterizován elektrickým (E) a magnetickým (H) polem, která mají stejný průběh. Jsou ve vzájemném vztahu určeném konstantní impedancí volného prostoru (377 Ω), jsou kolmá navzájem a ke směru vyzařování. Šíří se vzduchem nebo volným prostorem rychlostí 3,108 m/s a nesou energii ve formě vyzářené hustoty energie. Podstatná část této energie (90 %) je v kmitočtovém rozsahu několik desítek kHz až několik set MHz. Porovnání elektrického pole HEMP s jinými výkonovými EME je provedeno na obrázku 29 jako funkce kmitočtu.

E1(t) = 0 pro t  0 -a -b = E01.k1(e 1t - e 1t) pro t  0 4 E01 = 5,10 V/m 7 -1 a1 = 4.10 s 8 -1 b1 =5.10 s k1 = 1,3

Čas (ns)

OBRÁZEK 28 Neutajované prostředí volného pole NEMP

65

ČOS 999935 2. vydání Část 256 Pro typický výbuch je možno vypočítat, že dostupná průměrná hustota energie HEMP je mezi 0,1 a 0,9 J/m2. Pro zařízení, jehož povrch má několik metrů čtverečních, může mít energie vázaná na jeho povrch hodnotu až několik joule. Z dřívějších zkoušek, kdy došlo k poškození součástek, plyne, že na vstup/výstup elektronického zařízení stačí přivést energii několika mikrojoule a dojde k poškození nebo chybám v činnosti vlivem teplotního průrazu. Souhrnně lze konstatovat, že mezi kritérii HEMP a SREMP pro zkušební účely a účely analýzy lze nalézt dva primární rozdíly. První je vztah elektrického a magnetického pole. Jak již bylo zmíněno dříve, mají E a H pole HEMP stejný průběh jejich amplitudy se liší pouze konstantou. Tento vztah umožňuje použít pro jednoduché zkoušky HEMP simulační a vazební výpočet. V případě SREMP jsou E a H pole významně odlišná co se týče tvaru tak i amplitudy a je tedy podstatné, že použití simulačního a vazebního výpočtu se musí z tohoto důvodu pečlivě zvážit. Druhé rozdílové kritérium je skutečnost, že HEMP je svázán s okolním prostředím impedancí vzduchu, zatímco u SREMP tomu tak není. V oblasti blízkého pole způsobuje zvýšený tok elektronů takovou změnu impedance okolního vzduchu, která se mění v rozsahu nízkých úrovní až do úrovně impedance okolního vzduchu. Tyto časové a vzdálenostní změny impedance vzduchu komplikují zkušební a vazební výpočty. Simulátory SREMP neexistují; i když pro aproximaci složky vertikálního elektrického pole okolního vzduchu je možno použít vertikálně ohraničené vlnové simulátory. Může se také použít proudová injektáž; i když v obou případech se vyžaduje následná analýza pro určení nepřesnosti simulace.

Spektrální hustota (V/m/Hz)

Nakonec, SGEMP pro pozemní zařízení je výsledkem přímé interakce záření gama, neutronů a vlastního zařízení. SGEMP se tedy popisuje tvarem vlny a amplitudou vazebních napěťových a proudových signálů. I přesto, že v NATO neexistují žádná kritéria, může se v závislosti na rozměrech zařízení a jeho provedení použít signál o napětí několik tisíc voltů. Pro kosmická zařízení je SGEMP důsledkem přímé interakce rentgenového záření a vlastního zařízení. Technika proudové injektáže je jediná jednoduchá cesta, jak přivést předvídaný proud do zkoušeného zařízení.

Ultra široké pásmo Závisí na rozsahu

Úzké pásmo Závisí na rozsahu

Vysílače, radary atd.

Kmitočet

OBRÁZEK 29 Srovnání typických výkonových elektromagnetických prostředí 11.4 Literatura k části 256 [24]

IEC 61000-2-9 Electromagnetic Compatibility (EMC) – Part 2: Environment – Section 9: Description of HEMP environment – Radiated disturbance. Basic EMC publication 66

ČOS 999935 2. vydání Část 256 (Elektromagnetická kompatibilita (EMC)  Část 2: Prostředí – Oddíl 9: Popis prostředí HEMP  vyzařované rušení  Základní norma EMC). [25]

IEC 61000-2-10 Electromagnetic Compatibility (EMC) – Part 2: Environment – Section 10: Description of HEMP environment – Conducted disturbance (Elektromagnetická kompatibilita (EMC)  Část 2: Prostředí  Oddíl 10: Popis prostředí HEMP  Rušení šířená vedením).

[26]

STANAG 4145: Nuclear Survivability Criteria for Armed Forces Materiel and Installations (Kritéria odolnosti vojenské techniky a zařízení vůči účinkům jaderného výbuchu).

[27]

AEP-50: Space and Nuclear Radiation Hardening Guidelines for Military Satellites, Electronics and Photonics (Směrnice pro zodolnění vojenských družic proti kosmickému a radioaktivnímu záření: elektronika a fotonová fyzika).

[28]


67


12

Část 257  Výkonové mikrovlny (HPM)

12.1 Úvod Relativně novou hrozbou pro vojenské a civilní systémy v elektromagnetickém prostředí s vysokou energií (HPEM) jsou zdroje výkonových mikrovln (HPM). Útok, provedený s tímto druhem zdroje se obecně označuje jako úmyslná elektromagnetická interference (IEMI). Prostředí (HPEM), která jsou vytvořena s cílem rušení, se také vyskytují na kmitočtech nižších než několik desítek MHz. Technologický pokrok v oblasti výkonových mikrovln umožňuje produkovat mnohem výkonnější zdroje mikrovln pro ozáření rozlehlých provozních zařízení. Současně je možno generovat poměrně silná pole kompaktními systémy, které je možno umísit např. do kufříku. Je možno konstatovat, že potenciální hrozba HPM se zvyšuje. Pokud je na druhé straně systém HPM zaveden v členském státě NATO, může být nutné vlastní systémy umístěné společně s nimi zodolnit vůči poli jím vytvářeným. Avšak skutečná hrozba, která může existovat v rámci určitého scénáře jak z vlastních, tak nepřátelských zdrojů zatím nebyla plně definována žádným státem NATO. Informace uváděné níže jsou tedy všeobecné a neutajované. Pokud je třeba specifikovat prostředí HPM pro konkrétní systémy a zařízení, je třeba konzultovat se státním orgánem v tomto oboru. Energie HPM se může vyzařovat do prostoru, nebo je možno ji do zamýšleného cíle vést vodiči/kabely. Dva hlavní způsoby kudy může vyzařovaná energie pronikat do elektronických systémů jsou antény nebo kabely a otvory. Indukované proudy a napětí mohou v konečném důsledku ovlivňovat cílovou elektroniku. Nechráněné elektronické součástky je možno poškodit až na vzdálenost několika kilometrů. Pokud je možnost sabotáže a terorizmu reálná, je třeba v provozních scénářích počítat s vážnými následky, včetně důležitých prvků v civilním sektoru. V případech kdy narušení elektronických systémů může mít vážné následky, se musí vzít v úvahu potenciální útoky a souběžné/vedlejší vlivy současných a obecně dostupných technologií. Příkladem jsou např. vyřazení počítačů, otevření/uzavření elektronických ventilů, poškození dat, ztráta ovládání a přerušení napájení. Rozsah vlivů rušení se pohybuje od chyb činnosti, které zmizí po deaktivaci zdroje až po nevratné poškození. Na druhé straně patří zdroje HPM mezi obecné neletální zbraně, které je možno použít ke zničení nebo poškození nepřátelského zařízení s minimálními ztrátami na životech a vedlejšími účinky. Dnes HPM zastřešuje celou řadu aktivit, jako jsou vývoj zdrojů, šíření mikrovln, reakce elektroniky a zodolňování systémů proti těmto hrozbám. 12.2 Prostředí Zatímco vlivy elektromagnetického prostředí s vysokou energií (HPEM) jako je blesk (LEMP) a jaderný elektromagnetický impulz (NEMP), byly v minulosti podrobně zkoumány a jejich charakteristiky jsou běžně dostupné, je výzkum výkonových mikrovln poměrně novou oblastí. Předvídat charakteristiky nepřátelských zdrojů je velmi obtížné a možné „vlastní“ zdroje jsou předmětem bezpečnostní politiky a navíc ještě nejsou definovány dostatečně podrobným způsobem, což způsobuje, že definování HPM prostředí je velmi obtížné nebo nemožné. Potenciálními útočníky, kteří používají HPM jsou kriminální živly, teroristé, nespokojení zaměstnanci/zákazníci, nepřátelské vojenské/speciální síly a konkurence. Potenciální scénáře

68

ČOS 999935 2. vydání Část 257 jsou srovnatelné. Nespokojený zaměstnanec může do závodu přinést malé, improvizované zařízení, které může způsobovat problémy. Terorista může použít zdroj umístěný na nákladním vozidle, který může způsobit havárii. Vojenská aplikace se může použit v leteckém bojovém prostředku. Charakteristiky prostředí jsou omezeny technickou dovedností útočníka, technologickou úrovní a přístupem k technickým prostředkům.

Spektrální hustota (V/m/Hz)

Výkon zdrojů vyzařujících HPM je v rozsahu od kilowattů až po gigawatty (vrcholová hodnota). Kmitočtový rozsah je obecně od desítek MHz do několika GHz. Obrázek 30 představuje kmitočtové vztahy zdrojů LEMP, NEMP a HPM převzaté z IEC 61000-2-13 [29].

Ultra široké pásmo Závisí na rozsahu

Úzké pásmo Závisí na rozsahu

Vysílače, radiolokátory atd.

Kmitočet

OBRÁZEK 30 Srovnání typických elektromagnetických prostředí s vysokou energií V závislosti na objektivních znalostech cíle, může útočník volit typ HPM zdroje s nejefektivnějším průběhem, aby se dosáhlo co největšího účinku. Typy HPM zdrojů a možné průběhy se popisují v následujících odstavcích. Energetická úroveň v místě použití závisí na celé řadě parametrů. 12.2.1 Typy HPM zdrojů HPM zdroje je možno rozdělit do čtyř kategorií. Jsou to: a)

Mobilní/platformové HPM zdroje – HPM zdroje obecně vyzařují pole směrem k infrastruktuře zařízení cílového objektu z oblasti, která není pod kontrolou ochrany objektu, jako např. mimo oplocený prostor. Zdroj umístěný na nákladním vozidle je v této situaci mnohem lepší, než zdroj přenášený člověkem, protože požadovaný výkon pro generování účinné úrovně pole pro zamýšlený cíl z předpokládané vzdálenosti je možný pouze z těžkého zařízení. Možné jsou také zdroje umístěné v bojovém letadle.

b) Přenosné HPM zdroje – Přenosné zdroje je možno dopravit do vnitřního prostoru cílového objektu pod oblečením nebo uvnitř kufříku, kabelce nebo dokonce v plechovce na nápoje. Blízkost cílové elektroniky může způsobit, že malé zdroje jsou mnohem účinnější než velké zdroje ve větší vzdálenosti, protože se obejde stínění a útlumové charakteristiky objektu.

69

ČOS 999935 2. vydání Část 257 c)

Zdroje vedených HPM – HPM zdroje mohou injektovat energii přímo do vodičů uvnitř infrastruktury objektu, jako jsou napájecí nebo komunikační vedení. Toto je možno provést jak z vnitřního nebo vnějšího prostoru objektu.

d) HPM zdroje na bázi projektilu – HPM zdroje na bázi projektilu ozařují celý objekt elektromagnetickým impulzem. Toto způsobuje velké rázy elektrického proudu, které do objektu procházejí vodivými cestami rozhraní mezi vnějším a vnitřním prostředím, jako jsou napájecí vodiče, komunikační linky, vodovodní potrubí atd. Podrobný scénář závisí na topologii infrastruktury, charakteru útočníka a dalších proměnných činitelích. Pokud je obecně definován jeden možný zdroj, musí se použít takový scénář, který zahrne nejhorší možné podmínky. 12.2.2 HPM průběhy Obecně je možno počet HPM průběhů zredukovat na čtyři typy. Parametry průběhu jako je kmitočet, výkon atd. závisí na typu zdroje. a)

Průběžný signál (CW). HPM systém, který produkuje průběžný signál, obecně obsahuje rezonanční mikrovlnnou elektronku, jako je např. magnetron. Signál je mnohem účinnější, pokud je možno kmitočet naladit na nejzranitelnější kmitočet cíle. Veškerá energie je soustředěna do jednoho kmitočtu. CW je možno charakterizovat kmitočtem a výkonem. Obrázek 31 ukazuje průběžný signál.

OBRÁZEK 31

Průběžný signál (Časová oblast)

b) Úzkopásmový (NB) impulzní průběžný signál (CW). Průběh NB CW je typickým průběhem HPM. Fourierovo spektrum tohoto průběhu ukazuje úzkou obálku okolo „středního kmitočtu“. Průběh je možno charakterizovat nosným kmitočtem, vrcholovým výkonem, šířkou impulzu, opakovací dobou a odvozenými parametry jako je střída, střední výkon atd. Výhodou NB průběhu je skutečnost, že pro generování účinného vysokého výkonu se používá nízký střední výkon, což znamená, že pro narušení činnosti nebo poškození elektronického zařízení se používají impulzy s vysokou energií. Nejvyšší vrcholové výkony se očekávají právě od těchto úzkopásmových zdrojů. Signál je nejúčinnější, když je cíl citlivý na impulzní signály na zranitelných kmitočtech. Signál se může navrhnout tak, aby se vázal na antény, nebo anténám podobné konstrukce (vazba „předními dveřmi“) a tím došlo ke zničení cíle. Je možno je také navrhnout tak, aby pronikaly do cíle nezamýšlenými cestami (vazba „zadními dveřmi“) a tam způsobily zničení elektroniky. Obrázek 32 ukazuje NB průběh.

70


OBRÁZEK 32 Úzkopásmový impulzní průběžný signál (Časová oblast) c)

Tlumená sinusovka (DS). Průběh DS je charakterizován dominantním kmitočtem, vrcholovým výkonem, činitelem tlumení a energií obsaženou v impulzu. Průběh DS má „střední kmitočet“ a šířku pásma pro zvýšení pravděpodobnosti působení efektu „zadními dveřmi“. Výhodou průběhu DS je větší šířka pásma než v případě průběhů CW a NB; jedná se typicky o jednu oktávu. Průběh DS ukazuje Obrázek 33.

OBRÁZEK 33 Tlumená sinusovka (Časová oblast) d) Ultra široký signál (UWB). Průběh UWB signálu je charakteristický vrcholovým výkonem, dobou náběhu, dobou trvání a opakovacím kmitočtem. Viz obrázek 34.

OBRÁZEK 34 Ultra široký signál (Časová oblast) e)

UWB impulzy mají schopnost vybudit v cílovém objektu mnoho rezonančních režimů. Na druhé straně je výkon, který je přítomen v malých částech kmitočtového rozsahu poměrně malý, stejně jako celková energie jednoho impulzu a je tedy méně vhodný pro vyvolání vysoké intenzity pole v rezonanční oblasti cíle, kde dochází ke zhoršení činnosti nebo poškození. V případě UWB je pro účinný efekt potřebný 71

ČOS 999935 2. vydání Část 257 mnohem větší výkon, než je tomu v případě NB průběhu s vhodným kmitočtem. Uváděný průběh je bez stejnosměrné složky. 12.2.3 Úrovně HPM Úrovně (prostředí) intenzity pole a proudů závisí na různých parametrech. Těchto parametrů je příliš mnoho, než aby je bylo možno definovat obecně. Existuje celá řada analýz a modelů, které se mohou použít pro první přiblížení problematiky přenosu elektromagnetické energie do bodu zájmu. Tyto techniky jsou základním nástrojem používaným v radiolokátorové technice, komunikační technice a elektromagnetické interferenci / elektromagnetické kompatibilitě. Maximální vrcholový výkon vyzařovaný strukturou antény je omezen maximální intenzitou pole, kterou je možno přenést vzduchem (asi 1 MV/m) povrchem (A) vyzařovací plochy. Základním vztahem pro maximální vyzářený výkon strukturou antény s kosinovým ozářením je Ppeak  1 GW/m2. Obecně se výkon zdrojů průběžného signálu mění v rozsahu od několika kW (magnetron) do několika desítek MW (radiolokátorové elektronky). Výkon impulzních zdrojů se pohybuje maximálně kolem stovek MW výjimečně i výše. Hrubý odhad místních polí v určité vzdálenosti od zdroje se může provést pomocí následujících vztahů. Intenzita pole (Ea) na povrchu antény se může vypočítat v případě, že je známý vyzařovaný výkon (P), plocha apertury antény (A) a impedance volného prostoru (Z). Vrcholové elektrické pole musí být menší než kritická hodnota intenzity pole ve vzduchu  1 MV/m. Vrcholová hodnota elektrického pole vyzařovaného aperturou antény Ea 

PZ (V/m). A

Velikost elektrického pole (E) v určité vzdálenosti (R) ve vzdáleném poli se může určit následujícím vztahem (nejsou započteny žádné odrazy a různé cesty, zdi/překážky a jiné vlivy). Vrcholová hodnota vyzařovaného elektrického pole ve vzdálenosti R

E

Ea A (V/m). R

Úroveň místního elektromagnetického pole se může upřesnit, když se do úvahy vezme účinnost stínění zdí budov nebo jiných překážek. První přiblížení se může provést použitím reprezentativních hodnot účinnosti stínění při uvážení otvorů, kterými může pole pronikat. Hodnoty účinnosti stínění budov se pohybují od 13 do 22 dB (200 MHz až 3 GHz). Příklady zdrojů je možno najít v dokumentu [29]. 12.3 Literatura k části 257 [29]

ČSN IEC 61000-2-13: Elektromagnetická kompatibilita (EMC) – Část 2-13: Prostředí

 Elektromagnetické prostředí s vysokým výkonem (HPM)  vyzařované a vedené.

72


13

Část 258  RF elektromagnetické prostředí

13.1 Úvod Tato část se zabývá elektromagnetickým prostředím (EME) v oblasti rádiových kmitočtů (RF) produkovaných různými zdroji, jako jsou komunikační a radiolokátorové vysílače, kterému může být vojenská technika, používaná v rámci operací Severoatlantické aliance (NATO), vystavena. Předmětem této části je přehled, typické požadavky a definice provozního elektromagnetického prostředí (EME), proti kterému musí být vojenská technika NATO odolná a ve kterém musí bez poruch pracovat. Úrovně EME se musí použít jako vývojová kritéria pro všechny nové platformy, zařízení a systémy určené pro použití v silách NATO. Definování úrovní EME, kterým musí vojenská zařízení odolávat je pouze prvním krokem a tyto úrovně se musí uvažovat ve všech čtyřech fázích životního cyklu (tj. návrh, vývoj, výroba a instalace), konkrétně při definování zkušebních požadavků a zmírňujících ochranných opatření. Po definování provozních úrovní EME se musí odvodit certifikační požadavky EME a další publikace se musí použít jako průvodce při návrhu a postupech pro řízení provozního EME. Např. AEP-41 „Jednotná ochrana před účinky elektromagnetického prostředí, základní principy a metodologie (UE3)“ [30] uvádí filozofii a metodologii pro splnění požadavků ochrany a odolnosti v prostředí jednotných elektromagnetických vlivů (UE3) pro všechny vojenské platformy, systémy a zařízení NATO proti vlivům elektromagnetického prostředí (E3) a poskytuje informace týkající se různých funkčních oblastí požadovaných pro dosažení, provedení a posílení UE3 ochrany a funkční schopnosti. Dokument ČOS 051627 „Zkoušky vlivu elektromagnetického prostředí“ [31] obsahuje generické zkušební postupy pro zajištění odolnosti techniky proti elektromagnetickým (EM) jevům. AECTP-2(B) „Příručka pojednávající o nebezpečí vyzařování z rádiových vysílačů a radiolokátorů u vojenského námořnictva NATO“ [32] poskytuje postupy pro zmírnění nebezpečí vlivu elektromagnetického vyzařování na munici v prostředí námořnictva NATO prostřednictvím použití pravidel uvedených pro nebezpečné vyzařování (RADHAZ) a RADHAZ vysílačů. 13.2 Charakteristiky prostředí 13.2.1 Zdroje EME, ve kterém bude technika nejčastěji pracovat, se musí určit před akvizičním procesem, jinak bude tíha řízení vnitřního systému elektromagnetické kompatibility (EMC), HERO a elektromagnetické zranitelnosti (EMV) přenesena na obsluhu, která zajišťuje provozní činnost. Jednotlivé členské státy NATO vytváří své vlastní provozní EME podle různé filozofie a metodologie; avšak pro vojenskou techniku, o které se uvažuje, že bude používána v mnohem dynamičtějším prostředí NATO, se musí stanovit mnohem víc než pouze to, co definují normy EME jednotlivých států. Z tohoto důvodu je prvním krokem identifikace platformy a provozního scénáře, ve kterých se bude vojenská technika v NATO provozovat. Je třeba identifikovat typy a charakteristiky každého spektrálně závislého systému současného nebo plánovaného tak, aby byla možná spolupráce s navrhovaným systémem. Tato identifikace musí zahrnovat stejnou měrou vojenské i komerční EME. Informace o spolupracujících systémech se použijí jako prvotní údaje pro přidělení kmitočtu a analýzy EME. I když se EME definuje na začátku procesu, je nutná jeho průběžná aktualizace pro celý životní cyklus, protože prostředí není statické. Dále je třeba současně určit další subjekty (vlastní a nepřátelské) nebo polní systémy,

73

ČOS 999935 2. vydání Část 258 které budou ve stejném EME pracovat. Údaje o těchto „nových“ systémech se musí zjistit a použít při definování EME. Dále je možno změnit původní operační požadavky předpokládaného systému, zohledněním geografické oblasti, země, hostitelské platformy a hlavně zařízení. Při aktualizaci definice EME se musí použít důkladná E3 analýza a požadavek na přidělení kmitočtů. Tato část a další národní publikace, jako jsou MIL-STD-464 [33], GAM DRAM 01 [34], GAM DRAM 02 [35], GE DIN VDE 0848 [36], UK Def San 59-411 Part 2 [37] a VG 95373 [38] popisují různé pozemní, námořní, letecké a bojové prostředí, které je možno použít pro systém v průběhu jeho celého životního cyklu. Jedním z problémů při specifikaci požadavků na systém je ten, že v mnoha případech jsou uvažované provozní charakteristiky EME kvantitativně neznámé. Údaje identifikované/ověřené v této části se musí při definování očekávaných provozních EME systému předpokládat. Každý systém bude během svého životního cyklu s vysokou pravděpodobností vystaven několika různým úrovním EME. Specifikace příliš přísných úrovní EME může přinést zbytečné zvýšení nákladů. Před specifikací provozních požadavků na systém se musí definovat každé jednotlivé EME, kterému bude během svého životního cyklu vystaven. Např. řízená střela bude během transportu/skladování, montáže/demontáže, manipulace/nabíjení, přemisťování na pozice, umisťování na platformu, těsně po odpálení a při přibližování k cíli vystavena různým úrovním EME. Specifikované požadavky E3 podmínek musí zajistit, že provoz systému nebude narušen žádnými úrovněmi EME od uskladnění až po zničení cíle. 13.2.2 Charakteristiky elektromagnetického prostředí Obvyklou hrozbou pro zbraňové systémy je úmyslně generované RF vyzařování. Tyto externí EME zdroje se průběžně mění s vývojem technologií, používáním mnohem výkonnějších vysílačů a celosvětovým rozšiřováním kmitočtového spektra (obvykle k vyšším kmitočtům). Je tedy podstatné, aby očekávané EME bylo definováno a použito pro návrh požadavků EMC, HERO a EMV uvnitř systémů. Celá řada členských států NATO vytvořila národní normy, které nastiňují u jaké výzbroje a techniky se bude měřením nebo výpočtem ověřovat, že funguje ve specifickém vojenském prostředí EME. Cílem této části je představit souhrnné EME NATO (pozemní, námořní a letecké), která jsou očekávána, takže jednotlivé členské státy mohou prosadit a/nebo stanovit návrh požadavků pro zajištění, že výzbroj a technika může fungovat v NATO prostředí tak, jak se předpokládá. 13.2.3 Metody výpočtu Všechny členské státy NATO souhlasí s výpočtem úrovní EME za použití stejné výpočetní metody a předpokladů. Výpočetní metoda je uvedena na konci této části a předpoklady jsou uvedeny v příloze A této části. 13.3 NATO EME 13.3.1 Úvod Výsledkové tabulky úrovní EME NATO dokumentují nejpravděpodobnější hodnoty, které je možno použít při operacích NATO v okolí lodí (přistávací paluba, otevřená paluba, hlavní paprsek, 500 a 1 000 ft (152,4 a 304,8 m) od vysílacího/anténního systému), na zemi, ve vzduchu a v kosmickém prostoru. Navíc byly vytvořeny tabulky EME NATO pro nejhorší případ, které kombinují všechny možné výše uvedené EME. Nepřátelské EME (tj. způsobené úmyslným nepřátelským RF vyzařováním nebo nepřátelskými vysílači umístěnými v blízkosti cíle) nejsou v tomto dokumentu uvedeny. Důvody pro shromažďování těchto naměřených

74

ČOS 999935 2. vydání Část 258 a vypočtených hodnot od všech členských států NATO jsou dva: charakterizace provozního EME pro nastavení konstrukčních a zkušebních kritérií ve vztahu k E3, které zajistí, že zařízení bude uspokojivě pracovat ve skutečném EME NATO a sestavení EME, která se vyskytují během operací NATO, takže je možno poskytnout lepší pokyny k používání na bojišti pro zmírňování důsledků E3. Později je samozřejmě nutno rozpoznat skutečnost, že technika se může vystavit vyšším intenzitám EM pole než v případě aktuálních zkoušek a provozní mezní hodnoty musí zvolit orgán státu tak, aby odpovídaly výsledkům E3. Zvláštní utajovaný dokument [39] obsahuje EME všech přispívajících členů NATO včetně všech předpokladů vztažených ke vzdálenostem použitým pro výpočet úrovní EME. 13.3.2 Předpoklady Aby měly tabulky EME nějaký význam, musí být zcela jasné jak byly údaje získány a jaký postup byl použit. Následuje seznam základních předpokladů použitých při tvorbě EME tabulek. I když některé předpoklady jsou základní, jsou uvedeny pro dokumentaci všech možných předpokladů: a)

U všech výpočtů se předpokládají pouze ztráty ve volném prostoru mezi vysílačem a platformou (tj. nejsou započítány atmosférické jevy).

b) Pro aperturní antény a antény fázového pole se používají korekční činitele pro blízké pole. c)

Byla vypočtena nekumulativní intenzita pole. Současně nebylo uvažováno ozáření více než jednou anténou.

d) Pozemní prostředí sestává z vojenských stacionárních a mobilních vysílačů umístěných na vojenských objektech a tyto vysílače se mohou umístit na bojišti. e)

Neuvažuje se výška antény nad zemí kvůli anténním stožárům, které nejsou součástí základního vybavení. Předpokládá se rovná zemní plocha, tj. neuvažuje se vliv terénu.

f)

Pro neimpulzní vysílače se neuvažuje modulace; tedy vrcholová intenzita pole a střední intenzita pole mají stejnou úroveň.

g) Pro daný kmitočtový rozsah jsou úrovně intenzity pole založeny na maximální schválené úrovni výkonu vysílače a zisku antény. Střední hodnota intenzity pole je založena na maximální střední hodnotě intenzity pole (vrcholový výstupní výkon vysílače násobený maximální střídou) v celém kmitočtovém rozsahu. Vrcholová a střední hodnota intenzity pole použitá v prostředí může a nemusí být ze stejného vysílače. h) Postranní laloky antény a rychlost otáčení se při výpočtech neuvažují. i)

Maximální zisk antény platí pro hlavní paprsek s šířkou určenou poklesem o 3 dB.

j)

Pro definování intenzity pole prostředí se používají efektivní hodnoty. Všechna měření nebo výpočty EME jsou odvozeny/vypočteny jako výkonová hustota ve wattech na čtvereční metr (W/m2), buď jako vrcholová nebo střední hodnota a pak převedena na intenzitu elektrického pole ve voltech na metr (V/mrms). Předpokládá se, že v případě intenzity elektrického pole nebo výkonové hustoty se jedná o efektivní hodnoty (rms) a proto se toto označení vynechává. Skutečné vrcholové hodnoty se pro vyjádření intenzity pole nepoužívají.

75

ČOS 999935 2. vydání Část 258 k) Impulzně modulované signály, které se používají např. u radiolokátoru, mají rozdílné vrcholové a střední hodnoty výkonové hustoty. Poměr mezi vrcholovou a střední hodnotou je pro impulzně modulované nebo hradlované signály závislý na střídě. Při výpočtu prostředí se používá maximální možná střída. Při zaklíčování impulzního vysílače je vrcholové pole hodnota elektrického pole po dobu, kdy je signál zapnut. Když je signál vypnut, je intenzita pole nulová. l)

Všechny hodnoty intenzity pole se zaokrouhlují nahoru nebo dolů k nejbližší desítce s výjimkou hodnot menších než 30.

13.3.3 Tabulky EME NATO 13.3.3.1 EME NATO lodí Každý zúčastněný člen NATO provádí na všech námořních plavidlech zkoušky úrovní intenzity elektrického pole na startovací palubě, otevřené palubě, ve směru hlavního paprsku a ve vzdálenosti 500 a 1 000 ft (152,4 a 304,8 m) od vysílací antény. Národní EME tabulky jsou vytvořeny na základě naměřených a vypočtených údajů a jsou uvedeny ve zvláštním utajovaném dokumentu, který je diskutován v odstavci 13.3.1. Tabulky 18 a 19 poskytují postupně uspořádané maximální úrovně EME pro všechny zúčastněné členy NATO s ohledem na jednotlivé kmitočtové rozsahy. Tabulka 18 poskytuje nejhorší případ EME pro přistávací a otevřené paluby na základě dvou kritérií: a)

Naměřené údaje nebo vypočtené hodnoty závisí na lodních vysílačích.

b) EME pro personál je určeno na základě STANAG 2345 [40] a DOD instrukci 6055.9 [41] kritéria pro povolené meze expozice (PEL). V tabulce 18 se uvádí vyšší hodnota. Tabulka 19 se používá pro letadla přistávající na letadlových lodích (viz poznámka dále) a je kombinací úrovní EME lodí na kterých mohou přistávat pouze vrtulníky a lodí na kterých mohou přistávat letouny i vrtulníky. Také poskytuje úrovně hlavního paprsku pro palubní vysílače a byly vypočteny pro následující vzdálenosti: a)

3 m od komunikačního systému vysílač/anténa a 15 m od radiolokátorového vysílacího/anténního systému.

b) 500 a 1 000 ft (152,4 a 304,8 m) od komunikačních a radiolokátorových vysílacích/ anténních systémů. Obecně jsou úrovně EME určeny na základě výpočtu, za použití Friisovy přenosové rovnice pro vzdálené pole vysílače ve volném prostoru. I když se také uvažuje prostředí nejhoršího případu hlavního paprsku pro blízké pole, jak je uvedeno v příloze A této části. Poznámka: Je nutno si všimnout, že výjimky se musí provést tam, kde některé vysílací/anténní systémy na konkrétních druzích námořních lodí jsou schopny ozářit systémy umístěné blíže nebo pro některé vysílací/anténní systémy, kde je vzdálenost hlavního paprsku větší než 15 m. Konkrétně bylo zjištěno, že letouny, které operují pouze z letadlových lodí, nebudou vystaveny některým úrovním nejhoršího případu pro hlavní paprsek (např. v pásmu 2,7 až 3,6 GHz). Z toho vyplývá, že pro specifické třídy námořních lodí se musí provést mnohem podrobnější prozkoumání EME údajů, aby bylo možno sestavit požadavky pro konstrukci nebo specifické operace, kdy pravděpodobnost výskytu bude funkcí třídy lodě a bitevní skupiny, v jejímž okolí se vyskytuje.

76

ČOS 999935 2. vydání Část 258 TABULKA 18 Kmitočtový rozsah

Provozní úrovně intenzity pole EME pro lodě (přistávací a otevřené paluby) Otevřená paluba

Přistávací paluba

Střední

Vrcholová

Střední

Vrcholová

(V/m)

(V/m)

(V/m)

(V/m)

0,01  2

-

-

-

-

2  30

200

200

160

160

30  150

60

60

60

60

150  225

60

60

60

60

225  400

60

60

60

60

400  700

70

410

70

180

700  790

100

160

100

160

790 – 1 000

240

1 300

100

1 130

1 000 – 2 000

180

550

110

550

2 000- 2 700

160

180

160

180

2 700 – 3 600

180

2 030

180

2 030

3 600 – 4 000

200

1 860

200

300

4 000  5 400

200

290

200

290

5 400 – 5 900

240

710

210

450

5 900 – 6 000

240

350

210

350

6 000 – 7 900

240

350

210

350

7 900 – 8 000

200

350

200

350

8 000 – 8 400

200

350

200

350

8 400 – 8 500

200

480

200

480

8 500 – 11 000

200

1 130

200

510

11 000 – 14 000

200

830

200

790

14 000 – 18 000

200

830

200

790

18 000 – 40 000

200

200

200

200

40 000 – 45 000

200

200

200

200

(MHz)

77

ČOS 999935 2. vydání Část 258 TABULKA 19 Provozní úrovně intenzity pole EME pro lodě určené pro přistávání vrtulníků a letounů (nejhorší případ pro hlavní paprsek, 500 a 1000 ft (152,4 a 304,8 m))

Kmitočtový rozsah (MHz)

Hlavní paprsek

Vzdálenost 500 ft (152,4 m)

Vzdálenost 1 000 ft (304,8 m)

Střední

Vrcholová

Střední

Vrcholová

Střední

Vrcholová

(V/m)

(V/m)

(V/m)

(V/m)

(V/m)

(V/m)

0,01  2

200

200

-

-

-

-

2  30

200

200

2

2

1

1

30  150

50*

50*

1

1

-

-

150  225

50*

50*

1

1

-

-

225  400

50*

50*

2

2

1

1

400  700

270

1 870

30

200

15

100

700  790

20*

20*

2

2

1

1

790 – 1 000

490

2 530

100

55

50

280

1 000 – 2 000

600

7 000

120

3 000

60

1 500

2 000 – 2 700

10*

10*

2

2

1

1

2 700 – 3 600

2 620

21 050

1 500

11 500

750

5 750

3 600 – 4 000

270

8 550

40

1 300

20

660

4 000  5 400

140

450

40

40

20

20

5 400 –5 900

360

7 100

160

5 100

100

2 550

5 900  6000

270

270

100

100

50

50

6 000 – 7 900

400

400

100

100

60

60

7 900 – 8 000

400

400

120

210

60

110

8 000 – 8 400

750

3 210

120

320

60

160

8 400 – 8 500

400

400

120

120

60

60

8 500 – 11 000

1 940

10 000

500

4 030

250

2 020

11 000 – 14 000

680

3 630

400

400

200

200

14 000 – 18 000

680

6 000

380

1 200

190

600

18 000 – 40 000

170

3 640

140

2 100

70

1 050

40 000 – 45 000

580

580

140

140

70

70

Poznámka: * Tyto úrovně jsou nižší než úrovně pro otevřenou a přistávací palubu, protože nebyl proveden žádný zápočet pro personál (PEL).

78

ČOS 999935 2. vydání Část 258 13.3.3.2 Pozemní NATO EME Každý ze zúčastněných států provedl ověření úrovní intenzity pole vysílačů, které existují pro pozemní systémy umístěné v předsunutých prostorech (např. letiště, bojiště, velitelská stanoviště atd.). Tabulka 20 poskytuje přehled nejvyšších úrovní EME pro jednotlivé kmitočtové rozsahy určené pro pozemní systémy s přihlédnutím k následujícím předpokladům. Pro určení vhodných vzdáleností pro výpočet úrovně intenzity pole byla provedena analýza umístění vojenských vysílačů na pozemních systémech. Analýza byla provedena na základě parametrů systému, jako jsou např. mezery ve vysílání, šířka paprsku, vysílací výkon, zisk antény a její umístění. Základním pravidlem je, že výpočet se provádí ve vzdálenosti 3 m od komunikačních systémů a 400 m od radiolokátorových a družicových komunikačních systémů (SATCOM) s výjimkou údajů US, kde se úrovně EME určují na základě dokumentu [33], tabulka 1D. Opět je nutné si povšimnout, že tato vzdálenost se nemůže použít vždy, protože vzdálenost mezi vysílacím/anténním systémem a specifickým provozem vojenské techniky, zařízením, pozemním vozidlem a letadlem na zemi se může měnit. TABULKA 20

Pozemní úrovně intenzity pole EME NATO

Kmitočtový rozsah

Střední

Vrcholová

(MHz)

(V/m)

(V/m)

0,01  2

200

200

2  30

200*

200

30  150

100*

100

15  225

100*

100

225  400

100*

1 500

400  700

50

1 500

700 790

50

1 500

790 – 1 000

50

1 500

1 000 – 2 000

50

2 500

2 000 – 2 700

50

2 500

2 700 – 3 600

50

2 500

3 600. – 4 000

50

2 500

4 000 – 5 400

50

2 500

5 400 – 5 900

50

2 500

5 900 – 6 000

50

2 500

6 000 – 7 900

50

2 500

7 900 – 8 000

50

2 500

8 000 – 8 400

50

2 500 (pokračování)

79


Pozemní úrovně intenzity pole EME NATO (dokončení)

Kmitočtový rozsah

Střední

Vrcholová

(MHz)

(V/m)

(V/m)

8 400 – 8 500

50

2 500

8 500 – 11 000

60

2 500

11 000 – 14 000

60

1 500

14 000 – 18 000

60

1 500

18 000 – 40 000

50

1 500

40 000 – 45 000

-

-

Poznámka: Tyto EME úrovně představují úrovně, které existují v blízkosti mobilních komunikačních systémů a přesahují průběžné PEL úrovně uvedené v [40]. I když tyto úrovně nepředstavují nebezpečné prostředí pro obsluhující personál, protože běžný provoz vysílačů omezuje expoziční doby pro obsluhu a celková energie je tedy v akceptovatelných úrovních. 13.3.3.3 Letecké EME NATO Tabulka 21 uvádí předpoklady použité pro určení úrovní intenzity pole uvedených v tabulce 22, které se mění v závislosti na zdroji použitém pro sestavení tabulky. Tabulka 22 poskytuje maximální úrovně intenzity pole EME pro dva různé letecké provozy: letouny a vrtulníky umožňující provoz mimo loď (tj. tato letadla nepřistávají přímo na lodích, ale operují v jejich těsné blízkosti). Viz tabulka 21, kde jsou maximální hodnoty EME pro letouny a vrtulníky umožňující přistání na lodích. Každý ze zúčastněných států provádí studium vojenských a civilních norem, směrnic a návodů předpokládaných EME pro vojenský i civilní letecký provoz. Výsledkem těchto studií jsou dokumenty, které byly použity pro určení EME NATO leteckých operací: [33], EUROCAE ED 107 [42], STANAG 3614 [43] a FAA doc [44]. Tabulka 22 poskytuje přehled s úrovněmi pro nejhorší případy EME pro jednotlivé kmitočtové rozsahy. Úrovně intenzity pole v tabulce 22 pro letouny jsou stejné jako [42] náročné HIRF prostředí pro letouny. U dopravních letounů pořízených jako civilní dopravní letouny se předpokládá, že vyhovují stejným úrovním intenzity pole, jaké platí pro civilní certifikační HIRF prostředí (HIRF prostředí 1) a pro výpočet se použijí stejné předpoklady, jako pro certifikační HIRF prostředí. TABULKA 21 Místo

Předpoklady použité pro určení leteckých provozních úrovní EME Typ vysílače

Bojový letoun1

Dopravní letoun

Vrtulník

Letiště a letecký šikmá vzdálenost šikmá vzdálenost šikmá vzdálenost průzkum 500 ft (152,4 m) 500 ft (152,4 m) 300 ft (91,4 m)

Letecké vysílače (do vzdálenosti 5 Všechny ostatní šikmá vzdálenost šikmá vzdálenost šikmá vzdálenost námořních mil pevné vysílače 250 ft (76,2 m) 250 ft (76,2 m) 100 ft (30,5 m) (9,26 km) od Letecké přímá vzdálenost přímá vzdálenost přímá vzdálenost letiště) meteorologické 150 ft (45,7 m) 150 ft (45,7 m) 150 ft (45,7 m) radiolokátory

(pokračování)

80

ČOS 999935 2. vydání Část 258 TABULKA 21 Místo

Předpoklady použité pro určení leteckých provozních úrovní EME (dokončení) Typ vysílače

Bojový letoun1

Dopravní letoun

Vrtulník

Letecké vysílače Všechny ostatní (do vzdálenosti 5 mobilní přímá vzdálenost přímá vzdálenost přímá vzdálenost námořních mil vysílače, včetně 50 ft (15,2 m) 50 ft (15,2 m) 30 ft (9,1 m) (9,26 km) od ostatních letadel letiště) Vysílače mimo letiště

šikmá vzdálenost šikmá vzdálenost šikmá vzdálenost 500 ft (152,4 m) 500 ft (152,4 m) 100 ft (30,5 m)

Vnitrozemské platformy

N/A

přímá vzdálenost 100 ft (30,5 m)

šikmá vzdálenost šikmá vzdálenost přímá vzdálenost 500 ft (152,4 m) 500 ft (152,4 m) 500 ft (152,4 m)

Lodní vysílače

Vysílače vzduchvzduch

N/A

Nestíhací se všemi provozními vysílači

přímá vzdálenost přímá vzdálenost 500 ft (152,4 m) 500 ft (152,4 m)

N/A

Stíhací letadlo se všemi přátelskými provozními vysílači

přímá vzdálenost přímá vzdálenost 100 ft (30,5 m) 100 ft (30,5 m)

N/A

Poznámka: 1 Pro účely tohoto dokumentu, jsou předpoklady pro dopravní letadla použity i pro bojová letadla. Uživatel se musí upozornit, že provozní scénář pro bojová letadla může vyústit ve vyšší EME než jsou uvedena níže. Poznámka: 2 Předpokládá se minimální letová výška 500 ft (152,4 m). Všechny překážky (včetně vysílacích antén) do 500 ft (152,4 m) se opomíjejí. Poznámka: (152,4 m).

3

Pro provoz mimo loď se pro letouny i vrtulníky použila vzdálenost 500 ft

Termíny šikmá vzdálenost a upravená šikmá vzdálenost mají následující definice: a)

Šikmá vzdálenost: Záměrná vzdálenost mezi vysílačem a letadlem

b) Upravená šikmá vzdálenost: Tento termín se používá, když vlivem omezení maximálního elevačního úhlu antény bude letadlo zachyceno hlavním paprskem (maximální intenzita pole) ve větší vzdálenosti než je specifikovaná šikmá vzdálenost. Pokud nebyl maximální elevační úhel uveden, předpokládá se, že byl použit úhel 90°, což odpovídá šikmé vzdálenosti 500 ft (152,4 m).

81

ČOS 999935 2. vydání Část 258 Šikmá vzdálenost 500 ft (152,4 m) Upravená šikmá vzdálenost 500 ft (152,4 m): 1 000 ft (304,8 m)

Výška Omezení elevace 500 ft (152,4 m) 30°

OBRÁZEK 35 Ilustrace šikmé vzdálenosti TABULKA 22 Kmitočtový rozsah

Letecké provozní úrovně intenzity pole EME NATO

Provoz letounů mimo loď

Provoz vrtulníků mimo loď

Střední

Vrcholová

Střední

Vrcholová

(V/m)

(V/m)

(V/m)

(V/m)

0,01  2

70

70

200

200

2  30

200

200

200

200

30 150

50

50

200

200

150  225

100

100

200

200

225  400

100

100

200

200

400  700

240

730

200

730

700  790

100

1 400

240

1 400

790 – 1 000

240

1 400

240

1 400

1 000 – 2 000

200

3 300

250

5 000

2 000  2 700

490

4 500

490

6 000

2 700 – 3 600

490

4 500

490

6 000

3 600 – 4 000

490

4 500

490

6 000

4 000  5 400

300

7 200

400

7 200

5 400 – 5 900

300

7 200

400

7 200

5 900 – 6 000

300

7 200

400

7 200

6 000 – 7 900

200

1 100

170

1 100

7 900 – 8 000

200

1 100

170

1 100

8 000 – 8 400

330

3 000

330

5 000

(MHz)

(pokračování)

82


Letecké provozní úrovně intenzity pole EME NATO (dokončení)

Kmitočtový rozsah

Provoz letounů mimo loď

Provoz vrtulníků mimo loď

Střední

Vrcholová

Střední

Vrcholová

(V/m)

(V/m)

(V/m)

(V/m)

8 400 – 8 500

330

3 000

330

5 000

8 500 – 11 000

330

3 000

330

5 000

11 000 – 14 000

330

2 000

330

5 000

14 000 – 18 000

330

2 000

330

2 000

18 000 – 40 000

420

1 000

420

1 000

40 000 – 45 000

-

-

-

-

(MHz)

13.3.3.4 EME NATO pro kosmický prostor Tabulka 23 obsahuje hodnoty pro kosmické systémy a systémy odpalovacích zařízení a byly odvozeny přímo z [33]. Tyto hodnoty EME se uvažují za přiměřené pro operace NATO. TABULKA 23

Úrovně intenzity pole EME NATO v kosmickém prostoru

Kmitočtový rozsah

Střední

Vrcholová

(MHz)

(V/m)

(V/m)

0,01  2

20

20

2  30

20

20

30  150

20

20

15  225

100

100

225  400

100

100

400  700

100

100

700 790

100

100

790 – 1 000

100

100

1 000 – 2 000

200

200

2 000 – 2 700

200

200

2 700 – 3 600

200

200

3 600. – 4 000

200

200

4 000 – 5 400

200

200

5 400 – 5 900

200

200

5 900 – 6 000

200

200

6 000 – 7 900

200


83


Úrovně intenzity pole NATO EME v kosmickém prostoru (dokončení)

Kmitočtový rozsah

Střední

Vrcholová

(MHz)

(V/m)

(V/m)

7 900 – 8 000

200

200

8 000 – 8 400

200

200

8 400 – 8 500

200

200

8 500 – 11 000

200

200

11 000 – 14 000

20

20

14 000 – 18 000

20

20

18 000 – 40 000

20

20

40 000 – 45 000

-

-

13.3.3.5 Nejhorší případ EME pro NATO Tabulka 24 je sestavena z maximálních úrovní intenzity pole z tabulek 18 až 23. Je určena pro hodnocení z bezpečnostního hlediska jako je např. HERO a vnitrosystémová EMC. TABULKA 24

Nejhorší provozní úrovně intenzity pole EME

Kmitočtový rozsah

Střední

Vrcholová

(MHz)

(V/m)

(V/m)

0,01  2

200

200

2  30

200

200

30  150

200

200

15  225

200

200

225  400

200

1 500

400  700

270

1 860

700 790

240

1 500

790 – 1 000

480

2 530

1 000 – 2 000

600

7 000

2 000 – 2 700

490

6 000

2 700 – 3 600

2 620

21 050

3 600 – 4 000

490

8 550

4 000 – 5 400

400

8 550

5 400 – 5 900

400

7 200

5 900 – 6 000

400

7 200 (pokračování)

84


Nejhorší provozní úrovně intenzity pole EME (dokončení)

Kmitočtový rozsah

Střední

Vrcholová

(MHz)

(V/m)

(V/m)

6 000 – 7 900

400

2 500

7 900 – 8 000

400

2 500

8 000 – 8 400

750

5 000

8 400 – 8 500

400

5 000

8 500 – 11 000

1 940

10 000

11 000 – 14 000

680

3 630

14 000 – 18 000

680

6 000

18 000 – 40 000

420

3 640

40 000 – 45 000

580

580

13.4 Literatura k části 258 [30]

AEP-41: Unified Electromagnetic Effects (UE3) Protection (Jednotná ochrana před účinky elektromagnetického prostředí, základní principy a metodologie).

[31]

ČOS 051627: Zkoušky vojenské techniky v elektrickém a elektromagnetickém prostředí.

[32]

AECP-2(B): NATO Naval Radio and Radar Radiation Hazards Manual (Příručka pojednávající o nebezpečí z rádiového a radiolokátorového vyzařování u vojenského námořnictva NATO).

[33]


[34]

FR GAM DRAM 01: General Specification for Electro Explosive Devices and their Integration in Munitions against the Effect of Non-Ionising Electromagnetic Radiation (Všeobecné specifikace pro elektricky rozněcovatelná zařízení umístěná v munici, proti vlivům neinonizujícího elektromagnetického záření).

[35]

FR GAM DRAM 02: Security Instructions to be established under various conditions of use for Systems and Munitions containing Electro-Explosive Devices in the Electromagnetic Environment (Bezpečnostní instrukce stanovené pro různé podmínky použití systémů a munice, obsahujících elektricky rozněcovatelná zařízení v elektromagnetickém prostředí).

[36]

GE DIN VDE 0848: Safety of EM Fields, Procedures for Measurement and Calculation (Bezpečnost EM polí, postupy pro měření a výpočty).

[37]

UK Defence Standard 59-411 Part 2: The Electric, Magnetic, and Electromagnetic Environment (Elektrické, magnetické a elektromagnetické prostředí).

[38]

VG 95373: Electromagnetic Compatibility-Electromagnetic Compatibility of Equipment (Elektromagnetická kompatibilita, Elektromagnetická kompatibilita zařízení).

85

ČOS 999935 2. vydání Část 258 [39]

Rationale for the AECTP-258 Leaflet EME Tables (Základy AECTP-258, Tabulky EME).

[40]

STANAG 2345: Evaluation and Control of Personnel Exposure to Radio Frequency Fields – 3 kHz to 300 GHz (Hodnocení a kontrola osob vystavených rádiovému záření o frekvenci od 3 kHz do 300 GHz).

[41]

DOD 6055.9-STD: Ammunition and Explosives Safety Standards (Normy pro munici a nakládání s výbušnými materiály).

[42]

EUROCAE ED 107: Guide for the Certification of Aircraft in a High Intensity Radiated Field (HIRF) Environment (Návod pro certifikaci letadel v prostředí vyzařovaných poli s vysokou úrovní (HIRF)).

[43]

STANAG 3614: Electromagnetic Environmental Effects (E3) Requirements for Aircraft Systems and Equipment (Účinky elektromagnetického prostředí (E3)  požadavky na systémy a vybavení letadel).

[44]

FAA Doc Certification of Aircraft Electrical/Electronic. Systems for Operation in the High Intensity Radiated Fields (HIRF) Environment (Certifikace leteckých elektrických/elektronických systémů pro provoz v prostředí vyzařovaných polí s vysokou úrovní (HIRF)).

[45]

NAVSEA OP 3565/NAVAIR 16-1-529, Volume I: Electromagnetic Radiation Hazards Hazards to Personnel, Fuel, and Other Flammable Material (Nebezpečné elektromagnetické záření, nebezpečí pro osoby, palivo a další hořlavý materiál).

[46]

NAVSHIPS 0900-006-5250: On-Axis Power Density in the Fresnel and Fraunhofer Regions of Large Aperture Circular Antennas (Osová výkonová hustota ve Fresnelově a Fraunhoferově oblasti antén s velkou kruhovou aperturou).

[47]

NAVSHIPS 0900-006-5240: On-Axis Power Density in the Fresnel and Fraunhofer Regions of Large Aperture Rectangular Antennas (Osová výkonová hustota ve Fresnelově a Fraunhoferově oblasti antén s velkou pravoúhlou aperturou).

86


PŘÍLOHY

87

ČOS 999935 2. vydání Část 258 Příloha A (informativní)

A.1

Metoda pro výpočet EME blízkého a vzdáleného pole pro aperturní a drátové antény

Tato příloha poskytuje postup výpočtu používaný pro předpověď úrovní EME produkovaných zdroji záření jako funkce jejich vzdáleností od antény zdroje. Dále jsou uvedeny hranice blízkého a vzdáleného pole, meze účinnosti antén (K), konstanty ozáření antény, korekční činitele blízkého pole pro kruhové a pravoúhlé apertury antén. Následující odstavce popisují metodu výpočtu výkonové hustoty/intenzity elektrického pole v dané vzdálenosti od antény zdroje vysílání. Výpočet pro prostředí blízkého pole se musí provádět pro více než jednu vzdálenost od antény, aby se pro systém určila maximální hodnota. Toto se doporučuje z důvodu nulových bodů souvisejících s prostředím blízkého pole.

A.2

Hranice blízkého a vzdáleného pole

Elektromagnetická pole jsou v okolí antény rozdělena do dvou oblastí: Reaktivní blízké pole, vyzařované blízké pole nebo také Fresnelova oblast a vzdálené pole nebo také Fraunhoferova oblast. Přibližné hranice těchto oblastí jsou definovány rovnicemi A.1 až A.3:

NFr  0,62  0,62 

L3



L3



 NFrad  FF 

hranice reaktivního blízkého pole

2 L2



2  L2



hranice vyzařovaného blízkého pole hranice vzdáleného pole

(rovnice A.1) (rovnice A.2) (rovnice A.3)

kde NFr

je oblast reaktivního blízkého pole (metry),

NFrad je oblast vyzařovaného blízkého pole (metry), FF

je oblast vzdáleného pole (metry),



je vlnová délka (metry),

L

je největší rozměr antény (metry).

Poznámka: Pro drátové antény, kde je rozměr antény malý ve srovnání s délkou vlny ( > 10L), neexistuje vyzařované blízké pole.

A.3

Výpočetní metoda pro výkonovou hustotu vzdáleného pole

V oblasti vzdáleného pole se může výkonová hustota pro aperturní i drátové antény vypočítat za použití Friisovy rovnice volného prostoru uvedené níže. Všechny úrovně výkonové hustoty se počítají za použití maximálního výstupního výkonu vysílače a zisku antény vztažené k poklesu úrovně hlavního paprsku o 3 dB. PG (rovnice A.4) PD  T 2 4d

88

ČOS 999935 2. vydání Část 258 Příloha A (informativní) kde PD

je výkonová hustota (W/m2),

PT

je střední nebo vrcholový výstupní výkon vysílače (W),

G

je numerický zisk antény (bezrozměrný),

D

je vzdálenost od antény nebo její dosah (m).

Intenzita elektrického pole je závislá na výkonové hustotě podle následující rovnice: E  PD  Z 0

(rovnice A.5)

kde E

je maximální intenzita elektrického pole (V/m efektivní),

Z0

je skutečná impedance volného prostoru (120 nebo přibližně 377 ),

PD

je výkonová hustota (W/m2).

V oblasti blízkého pole neplatí pro elektrické a magnetické pole antény konstantní poměr 120π (přibližně 377 Ω), tedy skutečná hodnota impedance volného prostoru. V závislosti na napětí na svorkách zdrojové antény, impedanci a řídicím proudu, budou mít elektrické a magnetické pole bodu různý poměr a jedno nebo druhé pole bude dominantní. V oblasti vzdáleného pole se předpokládá, že poměr elektrického a magnetického pole je přibližně 377 ; rozdíly mezi poli se stávají menšími a dominance polí se snižuje. I přes rozdíly v impedanci blízkého pole se rovnice A.5 běžně používá pro převod úrovně výkonové hustoty na úroveň intenzity elektrického pole.

A.4

Výpočet vrcholové/střední hodnoty výkonu

V případě komunikační techniky se typicky používá amplitudová (AM), kmitočtová (FM) a impulzní (PCM) modulace nebo průběžný signál (CW). Aby se určila efektivní hodnota (rms) vrcholového výkonu pro FM a PCM, používá se metoda nejhoršího případu, kdy se vrcholový výkon rovná vrcholové hodnotě nemodulovaného nosného kmitočtu. Obálka vrcholového výkonu 100 % modulovaného AM signálu je dvojnásobkem vrcholového výkonu nosného kmitočtu a používá se tedy jako nejhorší případ AM signálu. Střída průběžného signálu zajišťuje, že při porovnání úrovní střední a vrcholové hodnoty jsou jejich efektivní výkony stejné. Výše zmíněné porovnání se použilo z důvodu náhodné změny povahy skutečného vrcholového výkonu v určeném intervalu. Impulzně modulované signály, hlavně z radiolokátorových vysílačů mají rozdíl mezi vrcholovou a střední hodnotou efektivního výkonu. Střední hodnota výkonu se definuje poměrem zapnutého a vypnutého výkonu v daném intervalu. Tento poměr zapnuto/vypnuto se označuje jako střída a je možno ji vypočítat (rovnice A.6). Střední hodnotu výkonu je možno určit pomocí vrcholového výkonu a střídy, jak je vidět níže (rovnice A.7). pw d .c.  nebo d .c.  pw  prf (rovnice A.6) pri Pa  Pp  d .c. (rovnice A.7)

kde 89

ČOS 999935 2. vydání Část 258 Příloha A (informativní) d.c.

je střída (bez rozměru),

pw

je šířka impulzu (s),

pri

je opakovací interval impulzů (s),

prf

je opakovací kmitočet impulzů (Hz),

Pa

je střední hodnota výkonu (W),

Pp

je vrcholová hodnota výkonu (W).

A.5

Výpočetní metoda výkonové hustoty blízkého pole

Metoda, která se používá pro výpočet výkonové hustoty podél osy šíření antén s kruhovými nebo pravoúhlými aperturami s velkými rozměry v oblasti vyzařovaného blízkého pole (Fresnelova oblast) je uvedena v odstavci A.5.1 a A.5.2. Ve Fresnelově oblasti se také snižuje zisk antény a šířka paprsku; z tohoto důvodu se rovnice pro výpočet výkonové hustoty vzdáleného pole (A.4) musí upravit, aby se uplatnily korekční činitele blízkého pole antény (NCF). Metoda výpočtu výkonové hustoty blízkého pole, která se používá pro NATO EME byla odvozena z NAVSEA OP 3565 [45], NAVSHIPS 0900-006-5250 [46] a NAVSHIPS 0900-0065240 [47]. Je určena na základě důsledného přístupu odhadu ozáření antény a výpočtu/ověření účinnosti antény; se zanedbáním následujících vlivů; ztráty nepřizpůsobením (poměr stojatých napěťových vln) odvozené z odrazu od napájecích svorek antény a RF ztráty mezi anténou a napájecím bodem (vysílačem), vedlejších ztrát a ztrát vlivem fázové chyby způsobené faktem, že apertura antény není uniformní fázový povrch. Odstavec A.5.1 uvádí metodu pro výpočet výkonové hustoty kruhových apertur v blízkém poli a odstavec A.5.2 uvádí metodu pro výpočet výkonové hustoty pro pravoúhlé apertury v blízkém poli. Tyto dvě metody se liší jen v detailech tak, že metoda pro pravoúhlé apertury počítá hodnotu snížení zisku antény, zatímco metoda pro kruhovou aperturu počítá s korekčním činitelem blízkého pole, který obsahuje jak hodnotu snížení zisku, tak i ztráty v prostoru. A.5.1 Výpočet výkonové hustoty blízkého pole pro antény s kruhovou aperturou

Rovnice použitá pro výpočet výkonové hustoty podél osy šíření rozlehlých antén s kruhovou aperturou v oblasti „vyzařovaného“ blízkého pole je označena jako rovnice A.8. Ve Fresnelově oblasti jsou zisk antény a vyzařovací paprsek degradovány; rovnice A.4, která je určena pro výpočet výkonové hustoty ve vzdáleném poli se tedy musí modifikovat tím, že se započte korekční činitel pro blízké pole (NCFcirc). PG (rovnice A.8) PD  T 2 NCFcirc 4d ff kde PD

je střední nebo vrcholová výkonová hustota (W/m2),

PT


G

je číselná hodnota zisku antény (bez rozměru),

NCFcirc je korekční činitel blízkého pole (bez rozměru),

90

ČOS 999935 2. vydání Část 258 Příloha A (informativní) dff

je vzdálenost antény od bodu vzdáleného pole použitého v rovnici A.3 (m).

Postup při výpočtu výkonové hustoty blízkého pole je následující: a)

Vypočíst výkonovou hustotu vzdáleného pole za použití Friisovy přechodové rovnice.

b) Vypočíst ozařovací konstantu (R) za pomoci rovnice A.9. c)

Určit ozáření antény a anténní činitel za použití ozařovací konstanty a tabulky 25.

d) Zkontrolovat pohledem, zda ozáření antény je vhodné pro výpočet účinnosti antény (K) za pomoci rovnice A.10. e)

Vypočíst normalizovanou vzdálenost od antény a pomocí vhodného ozáření antény na obrázku 36 určit NCF.

f)

Vynásobit výkonovou hustotu (pro vzdálené pole) vypočtenou v kroku a) hodnotou NCF, vypočtenou v kroku e).

Následující rovnice ukazuje podrobný výpočet korekčního činitele blízkého pole pro Fresnelovu oblast antény s kruhovou aperturou. Jak je uvedeno výše, korekční činitel blízkého pole závisí na typu ozáření antény a vzdálenosti od antény. Pokud není ozáření antény známé, může se určit následující metodou. Nejprve se za pomoci rovnice A.9 vypočte ozařovací konstanta (R). R  5,817  105  ( f )  ( BW )  ( L) (rovnice A.9) kde R

je ozařovací konstanta,

f

je kmitočet v MHz,

BW

je šířka paprsku (horizontální nebo vertikální) pro pokles 3 dB,

L

je průměr kruhové apertury antény nebo největší horizontální nebo vertikální rozměr antény s pravoúhlou aperturou (m).

Po výpočtu R pomocí rovnice A.9 se může ozařovací diagram antény určit podle tabulky 25. Poznámka: Ozáření vyšší než (1 r2)4 je prakticky nemožné, protože snížení zisku ve Fresnelově oblasti je téměř zanedbatelné. TABULKA 25

Ozáření antény s kruhovou aperturou (1  r2)

Rozsah R

Uvažované ozáření



Činitel ozáření antény (F)

1,02 až 1,27

Uniformní

0

1,00

1,27 až 1,47

Kužel (1  r2)

1

0,75

1,47 až 1,65

Kužel (1  r2)2

2

0,56

1,65 až 1,81

Kužel (1  r2)3

3

0,44

1,81

Kužel (1  r2)4

4

0,36

91

ČOS 999935 2. vydání Část 258 Příloha A (informativní) Pokud se ozařovací konstanta R určí na hranici dvou řádů ozáření (), zvolí se vyšší řád, protože se bude indukovat maximální intenzita pole. Navíc se musí za použití rovnice A.10 zkontrolovat vhodnost vypočtených hodnot účinnosti antény a ozáření. Vyšší řád ozáření může způsobit, že účinnost antény bude příliš vysoká, než v případě volby nižšího řádu ozáření. Jako vhodná se jeví účinnost antény (K) v mezích 0,3 až 0,9. C (2 ) (rovnice A.10) K 4 ( A)( F ) kde K

je účinnost antény (bez rozměru),

G

je zisk antény ve vzdáleném poli (bez rozměru),

A

je apertura antény (m2),



je délka vlny (m),

F

je ozařovací činitel antény (viz tabulka 26).

Pokud byl ozařovací činitel (F) jednou určen a účinnost byla ověřena jako vhodná, pak se může korekční činitel zisku použít pro výpočet pro specifický typ ozáření antény s kruhovou aperturou v blízkém poli. Nyní, když je určen typ ozáření ( = 0, 1, 2, 3. 4), se může určit korekční činitel blízkého pole tím, že se vypočte normalizovaná vzdálenost od antény s použitím rovnice A.11 a pak se na základě typu ozáření z obrázku 36 zvolí vhodný korekční činitel (NCF). d (rovnice A.11)  2  ( L2 /  )

Na ose korekčního činitele výkonové hustoty pro blízké pole

Úroveň výkonové hustoty blízkého pole v dané vzdálenosti (d) od antény se může určit výpočtem výkonové hustoty ve vzdáleném poli a násobením této hodnoty korekčním činitelem (NCF). Kužel (1-r2)4

Kužel (1-r2)3

Kužel (1-r2)2

Kužel (1-r2)

Uniformní ozáření

Normalizovaná vzdálenost (x)

OBRÁZEK 36 Korekční činitel blízkého pole pro ozáření kruhovou aperturou

92

ČOS 999935 2. vydání Část 258 Příloha A (informativní) A.5.2 Metoda výpočtu výkonové hustoty blízkého pole antény s pravoúhlou aperturou

Rovnice použitá pro výpočet výkonové hustoty podél osy šíření rozlehlých antén s pravoúhlou aperturou v oblasti „vyzařovaného“ blízkého pole je označena jako rovnice A.12. Ve Fresnelově oblasti jsou zisk antény a vyzařovací paprsek degradovány; rovnice A.4, která je určena pro výpočet výkonové hustoty ve vzdáleném poli, se tedy musí modifikovat tím, že se započte korekční činitel pro blízké pole (NGFrect). PG PD  T 2 NCFrect (rovnice A.12) 4d kde PD

je střední nebo vrcholová výkonová hustota (W/m2),

PT


G

je číselná hodnota zisku antény (bez rozměru),

NGFrect je korekční činitel blízkého pole (bez rozměru), d

je vzdálenost od antény (m).

Postup při výpočtu výkonové hustoty blízkého pole je následující: a)

Vypočíst výkonovou hustotu vzdáleného pole za použití Friisovy přechodové rovnice.

b) Vypočíst ozařovací konstantu (R) za pomoci rovnice A.9. c)

Určit ozáření antény a anténní činitel za použití ozařovací konstanty a tabulky 26.

d) Zkontrolovat vizuálně, zda ozáření antény je vhodné pro výpočet účinnosti antény (K) za pomoci rovnice A.10. e)

Vypočíst normalizovanou vzdálenost od antény a pomocí vhodného ozáření antény na obrázcích 37 až 41 určit NGF.

f)

Vynásobit výkonovou hustotu (pro vzdálené pole) vypočtenou v kroku a) hodnotou NGF, vypočtenou v kroku e).

Následující řádky ukazují podrobný výpočet korekčního činitele blízkého pole NGFrect pro Fresnelovu oblast antény s pravoúhlou aperturou. Jak je uvedeno výše, korekční činitel blízkého pole závisí na typu ozáření antény a vzdálenosti od antény. Aby bylo možno určit výkonovou hustotu antény s pravoúhlou aperturou, je nutno určit redukční činitel zisku pro horizontální a vertikální osu/rovinu. Pokud není ozáření antény pro obě osy/roviny známé, může se určit metodou popsanou v odstavci A.5.1. Nejprve se pomoci rovnice A.9 vypočte ozařovací konstanta (R) pak se pro každou osu/rovinu pomocí rovnice A.13 a tabulky 26 určí typ ozáření a činitele (Fh a Fv). Ozáření vyšší než cos4 nemá praktický význam a může se vynechat, protože snížení zisku ve Fresnelově oblasti je téměř zanedbatelné.

93

ČOS 999935 2. vydání Část 258 Příloha A (informativní) TABULKA 26

Ozáření anténou s pravoúhlou aperturou

Rozsah R

Uvažované ozáření

Fh a Fv

0,88 až 1,2

Uniformní

1,00

1,2 až 1,45

cos

0,810

1,45 až 1,66

cos2

0,667

1,66 až 1,93

cos3

0,575

1,93 až 2,03

cos4

0,515

Pokud se ozařovací konstanta R určí na hranici dvou řádů ozáření, zvolí se vyšší řád, protože se bude indukovat maximální intenzita pole. Navíc se musí za použití rovnice A.10 zkontrolovat vhodnost vypočtených hodnot účinnosti antény a ozáření. Vyšší řád ozáření může způsobit, že účinnost antény bude příliš vysoká než při volbě nižšího řádu ozáření. F  ( Fh  Fv ) kde F Fh Fv

(rovnice A.13)

je činitel ozáření, je horizontální činitel ozáření, je vertikální činitel ozáření.

Vyšší řád ozáření může způsobit, že účinnost antény bude příliš vysoká než při volbě nižšího řádu ozáření. Účinnost antény (K) v mezích 0,3 až 0,9 se jeví jako vhodná. Nyní, když je určen typ ozáření (uniformní, cos, cos2, cos3 cos4), se může zvolit hodnota redukce zisku blízkého pole normalizováním vzdálenosti od antény a rozměrů antény (Lh a Lv) vzhledem k vlnové délce  (m). 300  (rovnice A.14) f kde f

je kmitočet v MHz.

 rect 

d

(rovnice A.15)



Obrázky 37 až 41 uvádějí grafické křivky redukce zisku (dB) v závislosti na vzdálenosti (rect) od antény (v jednotkách vlnové délky) vztažené k rozměrům antény (v jednotkách vlnové délky) pro každý typ ozáření (uniformní, cos, cos2, cos3 cos4). Definují rozměry apertury (ah a av) normalizované k vlnové délce: L L ah  h , av  v (rovnice A.16)





Pokud se pro každou rovinu zvolí dvě odpovídající hodnoty snížení zisku, je možno vypočítat kombinovaný činitel redukce zisku blízkého pole. Aby to bylo možno provést, je třeba přičíst dvě hodnoty redukce zisku a převést jednotky z dB na číselné hodnoty. Úroveň výkonové hustoty blízkého pole v dané vzdálenosti (d) od antény se může určit výpočtem výkonové

94

ČOS 999935 2. vydání Část 258 Příloha A (informativní) hustoty a násobením této hodnoty redukčním činitelem zisku blízkého pole (NGFrect) za použití rovnic A.13 a A.12

NGFrect  10

NGRv  NGRh 10

(rovnice A.17)

Snížení zisku v blízkém poli (dB)

kde NGRv a NGRh jsou redukční činitele zisku blízkého pole pro vertikální a horizontální osy v dB odvozené z obrázků 37 až 41.

Vzdálenost od antény (vlnová délka)


OBRÁZEK 37 Redukce zisku ve Fresnelově oblasti pro uniformní ozáření (pravoúhlá apertura)


OBRÁZEK 38 Redukce zisku ve Fresnelově oblasti pro typ ozáření cos (pravoúhlá apertura)

95





OBRÁZEK 39 Redukce zisku ve Fresnelově oblasti pro typ ozáření cos2 (pravoúhlá apertura)


OBRÁZEK 40 Redukce zisku ve Fresnelově oblasti pro typ ozáření cos3 (pravoúhlá apertura)

96




OBRÁZEK 41 Redukce zisku ve Fresnelově oblasti pro ozáření cos4 (pravoúhlá apertura)

97


14

Část 259  Kvalita elektrického napájení a elektromagnetické prostředí uvnitř systému

14.1 Úvod

Část popisuje prostředí rádiových kmitočtů (RF) ve vedeních, která mohou ovlivňovat techniku prostřednictvím poruch způsobovaných střídavými/stejnosměrnými (AC/DC) napájecími systémy instalovanými na platformách zbraňových systémů nebo v pozemních komunikačních centrech a krytech. Předmětem této části je zajistit, aby návrh a vývoj požadované architektury napájení systému splňoval požadované provozní úrovně, aby vojenská komunikační a elektrická/elektronická zařízení byla chráněna. 14.1.1 Rozdíl mezi kvalitou elektrického napájení a EMI/EMC

Kvalita elektrického napájení se ne vždy považuje za součást rámce vlivů elektromagnetického prostředí (E3), který se typicky zaměřuje na sledování vlivů elektromagnetické interference (EMI). Protože oba vlivy jsou si velmi blízké, nesmí se posuzovat odděleně. Zkušební postupy EMI dokumentu ČOS 051627, Kategorie 501 [48], posuzují kvalitu elektrického napájení z hlediska regulace EMI (zejména vedených emisí) z napájecích vodičů a kabelů AC/DC zdrojů a signálových vodičů a kabelů na úrovni zařízení. Tyto zkoušky obsahují zkoušky vedených emisí (podrobnější popis viz článek 14.4) a vyzařovaných emisí (NRE02) na vyšších kmitočtech. Nicméně tato část se zabývá kvalitou napájení z hlediska rozhraní. To znamená, další elektrické poruchy, které se mohou vyskytnout na napájecích svorkách mezi zařízeními nebo mezi zařízením a zbraňovým systémem. Tyto dodatečné elektrické poruchy nejsou zcela popsány v požadavcích dokumentu [48]. Tam kde je to nutné, je třeba provést další ověření zaměřené na přizpůsobení fázové zátěže a proudové zátěže na těchto svorkách. Toto je nutné pro elektrické oddělení a použití metod pro zjištění zemních smyček a interakce nesymetrických režimů z hlediska propojení. 14.1.2 Vliv na spolupráci v rámci NATO

Zaměření na kvalitu elektrického napájení je jedna z nutných podmínek pro zajištění interoperability v rámci NATO. Existuje celá řada situací, kde jednotlivé členské státy sdílejí nebo vyžadují poskytnutí elektrického napájení pro zajištění provozu jejich zbraňových systémů během vojenských operací. Např. letadlo jednoho členského státu vyžaduje připojení k napájecímu systému na letišti jiného členského státu. Velitelská stanoviště nebo čerpací nádrže jednoho členského státu mohou být napájeny z elektrického generátoru jiného členského státu v rámci společného nasazení jednotek NATO. 14.1.3 Vliv na operace

Vojenské operace se stále více zaměřují na informační činnost a správu informací. Toto signalizuje masivní přechod od mechanizovaných systémů a platforem, které se používaly v minulosti k plně elektronizovaným a výpočetním systémům. Typická současná zařízení jsou složena z citlivých elektrických obvodů, jejichž provoz vyžaduje snížení hodnot elektrického rušení. Navíc jsou obvody většinou vytvořeny jako číslicové a jsou tedy velmi citlivé na širokopásmovou elektromagnetickou interferenci (EMI), poruchy a zkreslení. Přechodové jevy 98

ČOS 999935 2. vydání Část 259 způsobené zapnutím/vypnutím, spínaného zdroje nebo neustále se zvyšující kmitočty hodinových kmitočtů významně zvyšují pravděpodobnost generování a přítomnost nechtěných širokopásmových signálů. Tyto skutečnosti vedou k tomu, že vojenská zařízení jsou mnohem citlivější na změny v napájecích podmínkách a na EMI všeobecně. Je tedy nutné, aby elektrické napájecí systémy byly stabilní, spolehlivé a bez poruch nebo zkreslení. Souhrnně lze říct, že kvalita elektrického napájení a spolehlivost zdrojů jsou pro vojenské operace rozhodující. 14.2 Charakteristiky prostředí 14.2.1 Popis prostředí

Elektrické napájecí systémy pracují s konstantním napětím a dodávají výkon v širokém rozsahu zátěží. Platformy zbraňových systémů vyžadují elektrické napájení, které neobsahuje přerušování, poklesy, rázy a zkreslení harmonickými signály. Existuje potřeba definovat akceptovatelné provozní prostředí napájecích systémů pro zlepšení provozní účinnosti a snížení EMI. Poruchy napájecích systémů se často projevují jako přechodové napětí, proudová interference nebo jako zkreslení průběhu a je způsobeno úderem blesku, sepnutím zátěže chybami napájecích systémů, nelineárními zátěžemi a elektromagnetickými impulzy (EMP). 14.2.2 Interference v symetrickém a nesymetrickém režimu

Poruchy napájecích systémů se často klasifikují jejich vazebním režimem uvnitř nebo vně elektrického zařízení buď jako interference v symetrickém (normálním) nebo nesymetrickém režimu. Tyto režimu jsou popsány následovně: a)

Interference v symetrickém režimu způsobuje potenciál na jedné straně přenosové cesty, který se mění relativně vzhledem k jeho druhé straně.

b) Interference v nesymetrickém režimu, která se projevuje mezi oběma vodiči a společnou referenční úrovní (zemí). Tato interference způsobuje potenciál na obou stranách přenosové cesty, který se mění souběžně a se stejnou úrovní vzhledem ke společné referenční ploše (zemi). 14.2.3 Harmonické spektrum

Harmonické proudy zkreslují střídavý (AC) průběh prostřednictvím impedance zdroje a distribučního systému. Existuje několik nežádoucích vlivů způsobených nadměrným harmonickým napětím. Zkreslený průběh napětí může způsobit problémy v nesprávně navržených elektronických zařízeních, zvyšuje výkonové ztráty v motorech a dalších magnetických obvodech, snižuje krouticí moment ve výkonných indukčních motorech nebo vybudí nežádoucí vibrací prostřednictvím elektro-mechanických vazeb. Dále může zkreslený průběh sloužit jako zdroj proudového buzení v trupech lodí (viz odstavec 14.2.5). Stejné problémy se mohou vyskytnout v případě nízkých kmitočtů harmonických siločar, které generují magnetická pole, která vytvářejí vazby s jinými siločarami nebo zařízením. 14.2.4 Tlumené sinusovky

Tlumené sinusovky (někdy jejich komplexní kombinace) se běžně vyskytují na platformách při externí stimulaci jako je blesk nebo EMP a při spínání v rámci platformy. Průběhy se objevují na kabelech a mohou být způsobeny rezonancí samotných kabelů nebo vlivem napětí a proudů vyvolanými jinými rezonancemi na platformě. Přechodové jevy způsobené spínáním uvnitř platformy může vyvolat podobné průběhy také [48].

99

ČOS 999935 2. vydání Část 259 14.2.5 Proudy tekoucí konstrukcí (trupem)

Proudy tekoucí konstrukcí mohou způsobit problémy u citlivých zařízení, zvláště na lodích. Rektifikační proudy se jeví být hlavním zdrojem proudů tekoucích konstrukcí, ty však mohou být vyvolány i harmonickými složkami spínacích kmitočtů, pokud se vyskytují.

14.2.6 Pravděpodobnost výskytu

V ideálním případě by měl elektrický zdroj dodávat do zařízení konstantní napětí a kmitočet v závislosti na impedancích systému, které jsou přizpůsobené a stejné pro všechny fáze obvodů a větví. Různé fáze strategického a taktického provozu nutně vyžadují použití různých zařízení a různých provozních režimů a provozních scénářů. Na platformách zbraňových systémů a komunikačních elektronických zařízení se mohou poruchy elektrického napájecího systému a průběhů očekávat kdykoliv. Potřeba požadavku kvality elektrického napájení se zvyšuje s poznáním, že dříve zmíněné ideální podmínky ve skutečném světě vojenských instalací neexistují. 14.2.7 Nepříznivé vlivy

Důsledkem poruch napájecích systémů jsou nepříznivé vlivy na platformy zbraňových systémů, elektronická komunikační zařízení a kryty. Mohou se vyskytnout ve formě malé stability elektrického napájení, zkreslení průběhu a neodpovídající regulaci napětí. Jsou to např. poklesy, rázy, výpadky (tj. vypnutí napájení) a přerušení (tj. dočasné poklesy v síti), které jsou důsledkem změn impedance napájecího systému, jako jsou např. připojení nebo odpojení další zátěže ke stávající elektrické zátěži. Nepříznivé vlivy se také mohou objevit v důsledku přechodových stavů (včetně tlumené sinusovky), nebo zvlnění, nebo ve formě změn výkonových poměrů. Stabilitu proudů může ovlivnit zapnutí zařízení, které produkuje induktivní změny impedance napájecího systému. Toto může nastat při zapnutí nebo vypnutí induktivní zátěže jako jsou motory, solenoidy nebo relé. Další nepříznivé vlivy se mohou projevit jako: a)

Interference v symetrickém režimu vlivem změn při použití elektrických zátěží.

b) Interference v nesymetrickém a impedancemi. c)

režimu

způsobené

nesymetrickými

napětími

Harmonické spektrum vyvolané nepřesnými zdroji a spínanými zdroji.

d) Proudy tekoucí v trupech lodí vlivem nesprávného řízení zátěží a proudů. 14.3 Normy pro kvalitu napájení 14.3.1 Úvod

Normy pro kvalitu napájení (tj. normy pro dovolené zkreslení napětí) se používají pro úpravu charakteristik výstupu zdrojů. Týkají se výše uvedených činitelů. Tyto normy se zaměřují hlavně na čtyři parametry napájecích systémů, které slouží jako rámec pro klasifikaci pracovního prostředí napájecích zdrojů. Jsou to: a) změny kmitočtu, b) změny amplitudy, c) změny průběhu a d) symetrie. 100

ČOS 999935 2. vydání Část 259 Příklady norem pro kvalitu napájení, které upravují meze napájecího napětí pro platformy zbraňových systémů a pomocného zařízení jsou: a) STANAG 1008 [49] b) STANAG 2601 [50] c) STANAG 3456 [51] d) STANAG 3457 [52] e) STANAG 4133 [53] f) STANAG 4134 [54] g) STANAG 4135 [55] 14.3.2 Provozní a zkušební prostředí

Charakteristiky napájecích systémů definované výše uvedenými standardizačními dohodami (STANAG), které slouží jak pro popis provozního prostředí elektrických napájecích systémů, se kterými se počítá pro platformy, zařízení a pomocná zařízení, tak pro popis zkušebního prostředí. Z tohoto důvodu tato část neuvádí podrobné provozní nebo zkušební prostředí, protože je možno je najít ve výše uvedených dokumentech (STANAG). 14.4 Výběr zkoušek

Pro ověření požadavků výše uvedených dokumentů (STANAG) se mohou požadovat zkoušky. ČOS 051627 – Kategorie 501 také poskytuje zkušební postupy použitelné pro pomocná zařízení a podsystémy, které se mohou použít pro simulaci přechodového rušení a zkreslení průběhů, které se vyskytují v napájecích systémech, jako jsou např.: a)

NCS01 Conducted Susceptibility, Power Leads, 30 Hz to 150 kHz, (Susceptibilita na rušení šířené po vedení, napájecí vodiče, 30 Hz až 150 kHz).

b) NCS02 Conducted Susceptibility, Control and Signal Leads, 20 Hz to 50 kHz, (Susceptibilita na rušení šířené po vedení, řídicí a signálové vodiče, 30 Hz až 50 kHz). c)

NCS06 Conducted Susceptibility, Structure Current, 60 Hz to 100 kHz, (Susceptibilita na rušení šířené po vedení, únikový proud, 60 Hz až 100 kHz).

d) NCS07 Conducted Susceptibility, Bulk Cable Injection, 10 kHz to 400 MHz, (Susceptibilita na rušení šíření po vedení, injektáž do kabelových svazku, 10 kHz až 400 MHz). e)

NCS08 Conducted Susceptibility, Bulk Cable Injection, Impulse Excitation, (Susceptibilita na rušení šířené po vedení, injektáž do kabelového svazku, impulzní buzení).

f)

NCS09 Conducted Susceptibility, Damped Sinusoid Transients, Cables and Power Leads, 10 kHz to 100 MHz, (Susceptibilita na rušení šířené po vedení, tlumená sinusovka, kabely a napájecí vodiče 10 kHz až 100 MHz).

g) NCS10 Conducted Susceptibility, Imported Lightning (Aircraft) (Susceptibilita na rušení šířené po vedení, přivedený úder blesku (letadlo).

101

ČOS 999935 2. vydání Část 259 h) NCS11 Conducted Susceptibility, Low Frequency Power Leads (Sea Systems) (Susceptibilita na rušení šířené po vedení, přivedený nízký kmitočet, susceptibilita napájecích vodičů (námořní systémy)). 14.5 Literatura k části 259 [48] ČOS 051627, Kategorie 501: Zkoušky vlivu elektrického a elektromagnetického prostředí. Zkoušky zařízení a podsystémů. [49] STANAG 1008: Characteristics of Shipboard Electrical Power Systems in Warships of the North Atlantic Navies (Charakteristika palubních zdrojů elektrické energie na lodích vojenského námořnictva NATO). [50] STANAG 2601: Standardization of Electrical Systems in Tactical Land Vehicles (Standardizace elektrické instalace ve vojenských vozidlech). [51] STANAG 3456: Aircraft Electrical Power System Characteristics (Vlastnosti elektrických zdrojů letadel). [52] STANAG 3457: Ground Electrical Power Supplies for Aircraft (Pozemní zdroje elektrické energie pro letadla). [53] STANAG 4133: Method of Specifying Power Supplies, Standard Types of Electrical Power (Metoda specifikace elektrických zdrojů: standardní charakteristiky elektrických zdrojů). [54] STANAG 4134: Electrical Power Characteristics of Rotating 28 Volt DC Generating Sets (Elektrické charakteristiky stejnosměrných zdrojových soustrojí 28 V). [55] STANAG 4135: Electrical Characteristics of Rotating Alternating Current Generators (Elektrické charakteristiky střídavých zdrojových soustrojí). 14.6 Ostatní příslušné národní/mezinárodní normy STANAG 4074 Auxiliary Power Unit Connections for Starting Tactical Land Vehicles (Pomocné propojovací prvky pro startování vojenských vozidel) STANAG 7039 Test Procedures to Ensure Compatibility of Equipment with Aircraft Electrical Power Systems (Způsoby testování pro zajištění kompatibility zařízení se zdroji elektrické energie v letadle) DEFSTAN 61-5 Electrical Power Supply System Below 650 Volts (Elektrické napájecí systémy s napětím nižším než 650 V) MIL-STD-704 Aircraft Electrical Power Characteristics (Charakteristiky elektrického napájení letadel) MIL-STD-1275 Characteristics of 28 Volt DC Electrical Systems in Military Vehicles (Charakteristiky elektrických systémů pro 28 Vss ve vojenských vozidlech) ISO 7637 Road Vehicles – Electrical Disturbances from Conduction and Coupling (Silniční vozidla – Elektrické rušení způsobované vedením a vazbou)

102


(VOLNÁ STRANA)

103


Účinnost českého obranného standardu od: 19. dubna 2013

Opravy: Oprava číslo

Účinnost od

Upozornění:

Opravu zpracoval

Datum zpracování

Poznámka

Oznámení o českých obraných standardech jsou uveřejňována měsíčně ve Věstníku Úřadu pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví v oddíle „Ostatní oznámení“ a Věstníku MO. V případě zjištění nesrovnalostí v textu tohoto ČOS zasílejte připomínky na adresu distributora.

Rok vydání: Tisk: Distribuce: Vydal:

2013, obsahuje 52 listů Ministerstvo obrany ČR Odbor obranné standardizace Úř OSK SOJ, nám. Svobody 471, 160 01 Praha 6 Úřad pro obrannou standardizaci, katalogizaci a státní ověřování jakosti www.oos.army.cz

NEPRODEJNÉ

104

ČOS vydání ČESKÝ OBRANNÝ STANDARD VLIV OKOLNÍHO PROSTŘEDÍ NA VOJENSKOU TECHNIKU. PODMÍNKY ELEKTRICKÉHO A ELEKTROMAGNETICKÉHO PROSTŘEDÍ

Recommend Documents